Совершенствование методов и технических средств тепловой диагностики ограждающих конструкций изотермического подвижного состава (ипс)
| Вид материала | Автореферат |
- «Технические измерения датчики и приборы», 41.41kb.
- Од знаменателен тем, что в его середине исполняется 10 лет со дня принятия новых нормативов, 182.16kb.
- Концепция технической диагностики электроподвижного состава Московского метрополитена, 89.1kb.
- Барабанщиков Юрий Германович ограждающие конструкции и материалы методические указания, 834.17kb.
- Правила технической эксплуатации судовых технических средств и конструкций рд 31. 21., 4945.87kb.
- Технический регламент тс «О безопасности железнодорожного подвижного состава» (тр, 1261.41kb.
- Методика расчета экономически обоснованных цен на новые модели подвижного состава, 183.1kb.
- Правила эксплуатации тормозов подвижного состава железнодорожного транспорта российской, 2042.5kb.
- Корректирование нормативов технического обслуживания и ремонта подвижного состава, 136.2kb.
- Тема: Балансиры рессорного подвешивания подвижного состава вырезка по разметке вручную, 953.84kb.
На правах рукописи
АЛЕКСЕНКО МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ТЕПЛОВОЙ ДИАГНОСТИКИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА (ИПС)
Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог,
тяга поездов и электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ростов-на-Дону
2009
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС).
| Научный руководитель: | академик РАН, доктор технических наук, профессор Колесников Владимир Иванович |
| | |
| Официальные оппоненты: | Заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор Иванов Владлен Васильевич |
| | кандидат технических наук Науменко Сергей Николаевич |
| Ведущая организация: | Открытое акционерное общество научно-исследовательский институт вагоностроения (ОАО «НИИ Вагоностроения») |
Защита диссертации состоится « 28 » апреля 2009 г. в 15.30 часов на заседании диссертационного совета Д 218.010.01 в Ростовском государственном университете путей сообщения (РГУПС) по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, в конференц-зале.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного университета путей сообщения.
Автореферат разослан « 27 » марта 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 218.010.01,
доктор технических наук, профессор В.А. Соломин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. При формировании подходов к системе управления безопасностью движения в условиях реформирования железнодорожного транспорта в ОАО «РЖД» было уделено особое внимание разработке и реализации системы входного контроля железнодорожной продукции для нужд компании.
Возрастающие требования к эксплуатации изотермического подвижного состава (ИПС) приводят к необходимости разработки и создания экспертно-информационных технологий определения теплотехнических характеристик кузовов ИПС по их фактическому состоянию, сочетающих в себе функции оценки технического состояния ограждающих конструкций ИПС, сравнения данных с паспортными и передачи информации с целью проведения своевременного обслуживания и ремонта.
Актуальность этой задачи обусловлена целым рядом объективных причин:
во-первых, длительная эксплуатация ИПС сопровождается моральным и физическим износом его ограждающих конструкций, требующих своевременного ремонта;
во-вторых, необходимость снижения эксплуатационных расходов в условиях конкуренции на рынке транспортных услуг диктует создание систем технического обслуживания и ремонта ИПС, исходя из фактического состояния работающих его узлов с отказом от дорогостоящей планово-предупредительной системы с периодическим отвлечением подвижного состава от эксплуатации;
в-третьих, в настоящее время не существует систем, способных выполнять подобные задачи, а существующие методы диагностирования не позволяют находить дефекты в ограждающих конструкциях ИПС на стадии их зарождения.
Объект исследования – ограждающие конструкции ИПС, представляющие собой сложные инженерные системы, требующие периодического контроля при изготовлении нового ИПС, в процессе эксплуатации на предмет ухудшения их теплоизолирующих свойств.
Предмет исследования – методы и технические средства тепловой диагностики ограждающих конструкций ИПС.
Цель исследования – разработка нового метода теплотехнических испытаний ограждающих конструкций ИПС, который сделает возможным:
- единовременное определение локальных и приведенного коэффициентов теплопередачи в различных режимах работы теплоизоляции кузовов ИПС, при условии отсутствия информации об их основных технических и конструкционных характеристиках;
- значительно уменьшить время проведения испытаний кузова ИПС;
- увеличить точность определения локальных коэффициентов теплопередачи и местонахождения дефектных областей;
- создание программно-аппаратного комплекса тепловой диагностики ограждающих конструкций ИПС.
Задачи исследования:
- рассмотреть существующие методы и технические средства тепловой диагностики ограждающих конструкций термостабилизированных систем. Разработать классификатор, и на его основе упорядочить существующие методы;
- разработать математическую модель процессов теплопереноса в ограждающих конструкциях ИПС;
- найти решение задачи теплопереноса, позволяющее определить теплотехнические характеристики кузова в эксплуатации;
- определить режимы работы изоляции при условии отсутствия информации об основных технических и конструкционных характеристиках кузовов ИПС;
- исследовать изменение площади температурных структур конструкции кузова ИПС с течением времени;
- усовершенствовать методы определения локальных и приведенного коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций ИПС;
- улучшить метод определения приведенного коэффициента теплопередачи на основе вычисления локальных коэффициентов теплопередачи;
- уменьшить время проведения испытаний кузова ИПС при определении его теплотехнических характеристик;
- увеличить точность определения локальных коэффициентов теплопередачи и местонахождение дефектных областей;
- разработать и создать программно-аппаратный комплекс тепловой диагностики ИПС;
- провести испытания ограждающих конструкций ИПС программно-аппаратным комплексом.
Методы исследования. Методологической основой проведенных исследований послужили работы В.М. Алексенко, И.Г. Арамановича, Э.Б. Глинера, М.Л. Зворыкина, В.В. Иванова, М.В. Кирпичева, В.И. Колесникова, Н.С. Кошлякова, Н.Г. Лашутиной, П.Д. Насельского, М.М. Смирнова, Б.М. Чернякова и других.
При решении поставленных задач использовались: методы математической физики, методы теоретической физики, методы дистанционного зондирования, численные методы решения задач на ЭВМ, методы конструирования, методы термодинамики и молекулярной физики, методы подобия.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
- получены результаты математического моделирования процессов теплопереноса в ограждающих конструкциях макета рефрижераторного контейнера и рефрижераторного контейнера 1АА, внутри кузовов, которых поддерживается заданный температурный режим;
- найдено решение задачи теплопереноса, позволяющее определить теплотехнические характеристики кузова в эксплуатации;
- разработана математическая модель, имитирующая работу изоляции конструкции кузова ИПС, позволяющая исследовать изменения со временем температурного поля ограждающих конструкции ИПС;
- исследованы изменения площадей температурных полей конструкции и дефектных областей ИПС с течением времени;
- разработан метод определения локальных и приведенного коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций ИПС, позволяющий значительно снизить время испытаний и увеличить информативность получаемых результатов.
Практическая ценность работы. Полученные результаты и разработанные технические решения направлены на повышение контроля за новым, закупаемым и находящимся в эксплуатации изотермическим подвижным составом.
На основе проведенных исследований созданы теоретические и практические разработки, воплощенные в программно-аппаратный комплекс тепловой диагностики ограждающих конструкций ИПС «Тепло-М».
При оперативном обследовании ограждающих конструкций изотермического подвижного состава возникает экономический эффект, связанный с ресурсосбережением запасных частей, энергии, профессионального труда при устранении неисправностей, выявленных на начальной стадии их развития.
В то же время теоретические и практические основы настоящей работы применяются для оценки теплотехнического состояния автомобильного транспорта, систем тепло-, энерго- и газоснабжения, жилищно-коммунального хозяйства и др.
Реализация и внедрение результатов работы. Теоретические результаты и инженерные решения были воплощены в программно-аппаратном комплексе тепловой диагностики ограждающих конструкций ИПС «Тепло-М».
Внедрение данного программно-аппаратного комплекса проведено в рефрижераторном депо станции «Тихорецкая» Северо-Кавказской железной дороги – филиале ОАО «РЖД».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- результаты математического моделирования процессов теплопереноса в ограждающих конструкциях ИПС, внутри кузова которого поддерживается заданный температурный режим;
- решение задачи теплопереноса, позволяющее определить теплотехнические характеристики кузова в эксплуатации;
- математическая модель, имитирующая работу изоляции конструкции кузова ИПС, позволяющая исследовать изменения со временем температурного поля ограждающих конструкции ИПС;
- исследование изменения площадей температурных полей дефектных областей ИПС с течением времени;
- метод определения локальных и приведенного коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций ИПС, позволяющий значительно снизить время испытаний и увеличить информативность получаемых результатов.
Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на 54-й студенческой научной конференции физического факультета РГУ 15-23 апреля 2002 г. в рамках Федеральной целевой программы «Интеграция»; на 56-й студенческой научной конференции физического факультета РГУ 20-27 апреля 2004 г., на Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2006» (Ростов-на-Дону 2006), на Международной научно-практической конференции «ТелекомТранс-2006» (Сочи, 2006).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах, из них 2 работы опубликованы в изданиях из списка ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и 1 приложения. Диссертация изложена на 186 страницах основного текста, содержит 83 рисунка и 7 таблиц. Общий объем диссертации – 191 страница.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность задачи совершенствования методов и технических средств тепловой диагностики ИПС, определяются цели, задачи, объект и предмет исследования.
В первой главе рассматриваются тенденции развития методов и средств диагностики теплоизоляции ограждающих конструкций (ИПС), включая типовую методику теплотехнических испытаний продукции вагоностроения, принятую ГОСТом.
Обзор и анализ информации был проведен по следующим направлениям:
1. Способы неразрушающей диагностики теплоограждающих поверхностей.
2. Методы и технические средства определения теплоизолирующих свойств и коэффициента теплопередачи кузовов авторефрижераторных изотермических автомобилей и контейнеров и других транспортных средств.
3. Методы определения и средства диагностики теплоизолирующих свойств и коэффициента теплопередачи стен зданий и сооружений.
Основными источниками информации послужили публикации ВНИИЖТа, Всероссийского научно-исследовательского института холодильной промышленности, а также результаты поиска по патентным материалам России, США, Европы, Японии, Великобритании.
Критерием отбора информации служило сходство технических характеристик, технических средств, явлений, методов.
Вторая глава посвящена математическому моделированию и анализу физических процессов, происходящих в ограждении ИПС.
На первом этапе проводится моделирование процессов теплопереноса в ограждающих конструкциях энергостабилизированных систем при условии, что известны основные технические характеристики и физические постоянные конструкции кузова ИПС, а также режимы работы изоляции.
На втором этапе решается обратная задача, т.е. по известным температурным структурам ограждающих конструкций определяются технические и теплотехнические характеристики кузова ИПС.
Для моделирования процессов теплопереноса в ограждающих конструкциях ИПС поверхность представляется в виде набора тонких стержней.
Рассматриваются теплофизические процессы, происходящие по длине стержня, на концах которого происходит конвективный теплообмен с воздушными средами внутри и снаружи ограждающей конструкции. Боковые поверхности считаются теплоизолированными.
В этом случае представляется целесообразным провести решение задачи численным методом конечных элементов, реализованном в программном продукте ANSYS.
Полученное решение – распределение тепла по длине стержня – показано на рис. 1а и 1б.
На рис. 1а показана геометрия модели и приведен тепловой клин, согласно которому температура стержня изменяется: в цветовой гамме от синего до красного, что соответствует изменению от 22.3 C до 39.3 C. Следует уточнить, что участку стержня определенного цвета соответствует средняя температура всех узлов на этом участке.
 Рис. 1а |  Рис. 1б |
| На рис. 1.б показан характер изменения внешнего температурного поля со временем. По оси абсцисс отложено время испытаний в секундах, по оси ординат – значения температур в градусах Цельсия.  – данные об изменении температуры исследуемой поверхности с течением времени, полученные экспериментально,  – расчетные функции изменения температуры исследуемой поверхности со временем. | |
Максимальная разница между экспериментальными и расчетными данными не превышает 3 %.
Следующим шагом было решение прямой задачи методом математического моделирования Фурье (аналитическим методом). Для построения модели поверхность ИПС рассматривается как состоящая из большого количества тонких стержней, распространение тепла происходит в направлении длины стержня. На границах стержня происходит свободный теплообмен с окружающими средами.
В этом случае уравнение распространения тепла по длине стержня имеет вид:
(1)
где
– константа; 
– постоянная времени прогрева изоляции; 
– постоянная времени нагрева воздуха внутри вагона; 
, 
; 
– температура воздуха снаружи вагона в начальный момент времени; 
– максимальное значение температуры нагрева воздуха внутри вагона; R – градиент температур воздуха снаружи вагона; 
– коэффициент температуропроводности изоляционного материала ограждающей конструкции вагона; 
– длина стержня, характеризующая толщину изоляции вагона; 
– ненулевые начальные условия, характеризующие разницу между температурами воздуха внутри и снаружи вагона в начальный период времени проведения испытаний; 
– положительные корни уравнения 
; 
– количество корней.Для проверки правильности полученного аналитического решения проводилось теплотехническое обследование макета рефрижераторного контейнера и контейнера типа 1АА.
Испытания ограждающих конструкции проводились в двух режимах: первый режим характеризуется тем, что постоянная времени нагрева воздуха внутри конструкции
значительно больше постоянной времени прогрева изоляции 
. Особенностью второго режима испытаний является соизмеримость этих постоянных.Результаты моделирования макета рефрижераторного контейнера представлены на рис. 3.
 | |
| Рис. 3. Моделирование теплового поля выбранной области На графике по оси абсцисс отложено время испытаний в секундах, по оси ординат – значения температур в градусах Цельсия | |
– данные об изменении температуры исследуемой поверхности крыши лабораторного контейнера с течением времени, полученные экспериментально, где
– корректирующий коэффициент. 
, 
– функции изменения температуры исследуемой поверхности со временем, полученные аналитически.Максимальная разница между расчетными и экспериментальными данными не превышает 2 % для функций
и .На рис. 4 представлены экспериментальная и аналитическая зависимости изменения температуры на внешней поверхности ИПС для области 1 рефрижераторного контейнера типа 1АА.
 |
| Рис. 4. Моделирование теплового поля рефрижераторного контейнера По оси абсцисс отложено время испытаний в секундах, по оси ординат – значения температур в градусах Цельсия – данные об изменении температуры исследуемой поверхности ИПС с течением времени, полученные экспериментально. – расчетные функции изменения температуры исследуемой поверхности ИПС со временем. |
Максимальное различие экспериментальных и расчетных данных не превышает 3 %.
Результаты аналитического решения позволяют найти решение обратной задачи, определить технические и теплотехнические характеристики кузовов ИПС по известным тепловым структурам: произведение удельной теплоемкости материала на плотность материала, коэффициент теплопроводности материала.
Локальный коэффициент теплопередачи кузовов ИПС определяется по следующей формуле:
, (2)где
и 
– температуры воздуха внутри и снаружи ИПС соответственно, 
– температура ограждающей поверхности ИПС.Функция
определяет свободные тепловые процессы в изоляции ограждающей конструкции изотермического вагона, при условии ненулевых начальных условий.Функция
определяется, в основном, характером изменения температурного поля внутри кузова изотермического вагона, и для ее расчета требуется знание основных характеристик кузова в эксплуатации. Расчет функций
и возможен при известных параметрах материала ограждающих конструкций ИПС.Приведенный по поверхности контейнера коэффициент теплопередачи определяется следующим образом:
, (3)где
– локальные коэффициенты теплопередачи отдельных областей; 
– площади поверхности выделенных областей.При вычислении приведенного коэффициента теплопередачи (согласно (3)) возникает необходимость расчета площадей областей кузова ИПС с разными локальными коэффициентами теплопередачи. Для этого необходимо установить связь между геометрией области ограждающей конструкции с заданным коэффициентом теплопередачи и ее температурным полем, получаемым при нагреве воздуха внутри кузова ИПС.
Для решения данной задачи были взяты экспериментальные и конструкционные данные, полученные при проведении теплотехнических испытаний кузова опытного рефрижераторного контейнера типа 1АА, а именно результаты тепловой съемки участка кузова в течение четырех часов, значения температуры воздуха внутри и снаружи контейнера, геометрические размеры гофрированной конструкции стены контейнера.
На рис. 5а выделенный участок показан в виде пунктирного прямоугольника. Отметим, что изменения температурного поля выделенного участка наблюдаем в поперечном направлении (ось Х) периодической структуры ограждения.
 |  | |
| Рис. 5а | Рис. 5б | |
Расчет температуры выделенного участка осуществляется как вычисление средней температуры в продольном направлении (ось Y) поверхности контейнера.
Полученные температурные поля тестовой области № 2 (рис. 5а) были совмещены с поперечным сечением конструкции области № 2 ограждающей поверхности ИПС и проектными значениями коэффициента теплопередачи данной области (рис. 5б).
На рис. 5б на графике по оси абсцисс отложено расстояние
в пикселях, по оси ординат функция 
– значения температуры по поверхности кузова в градусах Цельсия. Поперечное сечение конструкции кузова представлено функцией
в относительных единицах. Функция 
определяет заданный конструкционный коэффициент теплопередачи.В этом случае характер температурной структуры гофрированной поверхности кузова контейнера после прогрева его теплоизоляции полностью повторяет характер проектного коэффициента теплопередачи. Характер изменения температурного поля поверхности кузова контейнера показывает, что по прошествии 2-х часов после прогрева изоляции контейнера площади участков кузова, представляющие различные экспериментальные локальные значения коэффициентов теплопередачи, не изменяются и соответствуют своим проектным значениям. Отдельные неоднородности теплового поля поверхности кузова обусловлены неидеальным технологическим процессом изготовления данной конструкции контейнера.
Для выявления изменения температурной структуры поверхности кузова контейнера, связанного с определением площади участков с различными локальными коэффициентами теплопередачи, разработана математическая модель участка ограждающей конструкции ИПС. Решение задачи проведено численным методом конечных элементов, реализованном в программном комплексе ANSYS.
Полученное решение – распределение тепла на внешней поверхности модели – показано на рис. 6а. На рис. 6б непрерывной кривой показан график изменения внешнего температурного поля по координате. Точечными символами на рис. 6б показаны экспериментальные данные изменения температурного поля на поверхности ИПС.
На рис. 6а распределение тепла на внешней поверхности модели стержню показано графически. Приведен тепловой клин, согласно которому температура стержня изменяется: в цветовой гамме от синего до красного, что соответствует изменению от 14.6 C до 15.1 C. Следует уточнить, что участку, определенному цветом, соответствует средняя температура всех узлов на этом участке.
На рис. 6б показан характер изменения внешнего температурного поля по координате. По оси абсцисс отложено расстояние в относительных единицах, по оси ординат – значения температур экспериментальной и расчетной функций в градусах Цельсия.
 |  |
| Рис. 6а | Рис. 6б |
– функция изменения теплового поля на поверхности стены контейнера, найденная экспериментально.
– расчетная функция изменения теплового поля исследуемой поверхности. Среднее отличие экспериментальных и расчетных данных не превышает 10 %.Следующим шагом стало исследование изменения температурного поля дефектного участка конструкции с течением времени.
 Рис. 7а |  Рис. 8а |
На рис. 7а, рис. 8а представлены выделенные участки дефектной области 3 и дефектной области 2 для расчета средней температуры в поперечном направлении.
 Рис. 7б |  Рис. 8б |
На рис. 7б и рис. 8б по оси абсцисс отложено расстояние
в пикселях, по оси ординат значения температуры по структуре стены, 
Temp24_1i в градусах Цельсия в начальный момент времени, по прошествии 0.98 часа, 1.25 часа, 1.65 часа, 2.13 часа, 2.48 часа, 3.23 часа, 3.4 часа соответственно.
Величина D показывает изменение температурного поля дефектных областей кузова ИПС по оси Х (рис. 7б, рис. 8б) с течением времени.
В процессе прогрева участка ограждения контейнера с аномальной областью формируется уникальное температурное поле, которое в дальнейшем изменяется лишь по оси ординат, до момента достижения стационарного режима.
По оси абсцисс тепловое поле не изменяется и составляет постоянную величину D, что позволяет сделать вывод о том же характере распределения теплового поля по оси Y (рис. 7а, рис. 8а).
Таким образом, происходит совпадение площади температурного поля дефектной области 3 и области 2 конструкции кузова ИПС с их геометрическими площадями.
В третьей главе на основе стандартной методики МИ 3177-07017-00202127-2000 и теплотехнического ГОСТа 26629-85 разработана методика определения локальных и приведенного коэффициентов теплопередачи, а также метод сравнительных теплотехнических испытаний.
В основу инфракрасной диагностики положен тепловой (тепловизионный) метод неразрушающего контроля, дополненный информацией о контактных измерениях температурных параметров объекта контроля и метеорологических характеристик окружающей среды на момент проведения обследования.
Метод определения коэффициента теплопередачи с помощью ИК-радиометра основан на дистанционном измерении полей температур поверхностей ограждающих конструкций, между внутренними и наружными поверхностями которых создан перепад температур, и вычислении относительных сопротивлений теплопередаче участков конструкции, значения которых, наряду с температурой внутренней поверхности, принимают за показатели качества их теплозащитных свойств.
Температурные поля поверхностей ограждающих конструкций получают на экране тепловизора в виде черно-белого или цветного изображения, градации яркости или цвета которого соответствуют различным температурам.
Температура воздуха снаружи контролируется термометрами или термодатчиками.
При наличии локальной утечки тепла в зонах нарушения изоляции уровень инфракрасной светимости в них превышает светимость прилегающих зон, что, собственно, и позволяет локализовать и идентифицировать участки дефектов.
Полученная картина распределения температурного поля обрабатывается с помощью зонального метода расчета.
В четвертой главе рассмотрены этапы разработки программно-аппаратного комплекса тепловой диагностики ограждающих конструкций изотермического подвижного состава «Тепло-М» (рис. 9).
 | Рис. 9. Программно-аппаратный комплекс тепловой диагностики ограждающих конструкций изотермического подвижного состава «Тепло-М» |
Комплекс предназначен:
- для мониторинга технического состояния элементов ограждающих конструкций рефрижераторных вагонов;
- организации своевременного ремонта и замены элементов ограждающих конструкций изотермического подвижного состава, исходя из фактического состояния его изоляции;
- повышения качества ремонта ограждающих конструкций изотермических вагонов;
- проведения сравнительных испытаний различных типов изотермического подвижного состава;
- повышения качества конструирования нового изотермического подвижного состава.
Во время работы комплекс выполняет следующие основные функции:
- автоматизирует теплотехнические испытания ограждающих конструкций изотермических вагонов;
- определяет приведенный коэффициент теплопередачи кузова вагона по данным точечных измерений температуры;
- регистрирует тепловые поля в виде термограмм с помощью портативной инфракрасной камеры высокого пространственного и температурного разрешения;
- обрабатывает и сохраняет результаты испытаний ограждающих конструкций изотермических вагонов на персональном компьютере;
- выявляет тепловые аномалии в ограждающих конструкциях вагонов и локализует их местонахождение;
- определяет локальные коэффициенты теплопередачи ограждающих конструкций изотермического вагона;
- составляет электронный теплотехнический паспорт на вагон.
В пятой главе приводятся результаты и анализ теплотехнических испытаний вагонов-термосов № 80000334, 91844480 № 91852301, 91853044, 91844506, АРВ № 83387050, рефрижераторный вагон секции ZB-5 № 87831137.
Испытания проводились согласно разработанным методикам. На рис. 10 представлена схема тепловой съемки боковой поверхности изотермического вагона.
 |
| Рис. 10. Схема тепловой съемки боковой поверхности изотермического вагона |
В результате испытаний были получены теплотехнические паспорта вагонов-термосов. На рис. 11 показана теплограмма боковой поверхности изотермического вагона.
 |
| Рис. 11. Теплограмма коэффициентов теплопередачи левой боковой стенки изотермического вагона термоса № 91844480 |
Каждому цвету на рис. 11 соответствует значение коэффициента теплопередачи, чем ярче цвет, тем больше значение коэффициента теплопередачи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования позволили сформировать следующие основные результаты и выводы:
1. Проведен анализ существующих методов и технических средств тепловой диагностики ограждающих конструкций термостабилизированных систем. Разработан классификатор методов тепловой диагностики ИПС.
Анализ методов показал, что на данный момент не существует универсального метода, сочетающего в себе высокую точность, практичность и информативность, позволяющего единовременно и поочередно определять локальные и интегральные теплотехнические характеристики ограждающих конструкций ИПС.
2. Методом конечных элементов проведено моделирование процессов теплопереноса в изоляционных слоях ограждающих конструкций термостабилизированных систем.
Максимальная разница между экспериментальными и расчетными данными не превышает 2 %.
3. Получено аналитическое решение и зависимости, характеризующие изменение температурного поля по толщине ограждающей конструкции в функции времени, а также на внутренних и внешних поверхностях ограждающих конструкций кузова ИПС.
Максимальная разница между экспериментальными и расчетными данными не превышает 3 %.
4. Разработан алгоритм для экспериментального определения теплотехнических характеристик выделенной области ограждающей конструкции кузова ИПС, а именно: коэффициенты теплопроводности, теплопередачи, произведение удельной теплоемкости на плотность материала изоляции.
Определение локального коэффициента теплопередачи проведено в стационарном и нестационарном режимах теплопереноса в ограждающей конструкции кузова ИПС.
Время определения приведенного коэффициента теплопередачи кузова ИПС составляет два часа, что на порядок меньше времени, необходимого для определения приведенного коэффициента теплопередачи традиционным методом.
5. Исследовано изменение площади температурной структуры конструкции кузова ИПС с течением времени, показавшее, что площадь температурного поля конструкции контейнера соответствует своей геометрической площади.
Численным методом конечных элементов разработана модель, имитирующая работу изоляции конструкции кузова ИПС.
Максимальная разница между экспериментальными и расчетными данными не превышает 10 %.
Исследованы изменения площадей дефектных областей 2 и 3 поверхности контейнера. Получено, что площади температурных полей дефектных областей изменяются в начальный период времени прогрева изоляции, в дальнейшем они остаются неизменными при условии, что чувствительность инфракрасной камеры в горизонтальном направлении составляет 1 см.
6. На основе стандартных методов разработана новая методика теплотехнических испытаний, позволяющая проводить периодический контроль теплоизоляции ограждающих конструкций при разработке, создании и эксплуатации рефрижераторного и пассажирского подвижного состава, а также различных стационарных термостабилизированных систем.
7. Разработана методика сравнительных теплотехнических испытаний, позволяющая оценивать ограждающие конструкций ИПС, благодаря введению коэффициента качества.
8. Разработан и создан программно-аппаратный комплекс тепловой диагностики ограждающих конструкций ИПС, обладающий широким спектром возможностей, таких как автоматизация процесса испытаний, определение локальных и приведенного коэффициента теплопередачи, регистрация тепловых полей ограждающих конструкций объекта испытаний, составление полных отчетов и электронных паспортов.
9. Проведены теплотехнические испытания вагонов-термосов № 80000334, № 91844480, № 91852301, 91853044, АРВ № 83387050, № 87831137.
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Алексенко М.В., Алексенко В.М. Испытания ограждающих конструкций рефрижераторных контейнеров // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. – 2001. Спецвыпуск. – С. 14–18.
2. Колесников В.И., Алексенко М.В. Мониторинг технического состояния
ограждающих конструкций изотермического подвижного состава // Вестник РГУПС. – Ростов н/Д, 2007. – №1. – С. 27–-33.
3. Алексенко М.В. Определение коэффициента теплопередачи ограждающих поверхностей методом ИК-радиометрии // Тезисы докладов 54-й студенческой научной конференции физического факультета 15–23 апреля 2002 г. в рамках Федеральной целевой программы «Интеграция». – Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 2002. – С. 21.
4. Алексенко М.В. Математическое моделирование процессов теплопереноса в ограждающих конструкциях // Тезисы докладов 56-й студенческой научной конференции физического факультета 20–27 апреля 2004 г. – Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 2004. – С. 24.
5. Алексенко М.В. Испытания ограждающих конструкций пассажирского вагона // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт – 2006». Ч. III. – Ростов н/Д: РГУПС, 2006. – С. 90–92.
6. Алексенко М.В. Математическое моделирование процессов теплопереноса в ограждающих конструкциях изотермического подвижного состава (ИПС) // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт – 2006». Ч. III. – Ростов н/Д: РГУПС, 2006. – С. 93–94.
7. Алексенко М.В., Кольвах С.В., Петушков А.Л., Никитаев А.В. Программно-аппаратный комплекс инфракрасной диагностики изотермического подвижного состава «Тепло-М» // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт – 2006». Ч. III. – Ростов н/Д: РГУПС, 2006. – С. 95-96.
АЛЕКСЕНКО МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ТЕПЛОВОЙ ДИАГНОСТИКИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА (ИПС)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано к печати 26.03.2009 г.
Формат 6084/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0.
Тираж 100. Заказ № .
Ростовский государственный университет путей сообщения
Ризография РГУПС
Адрес университета: 344038, Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2