Кузовов рефрижераторных и пассажирских вагонов

По назначению теплоизоляция вагонов разделяется на несколько видов:

– для обеспечения допустимого уровня потерь тепла (теплоизоляция кузова);

– для предотвращения конденсации влаги (системы водоснабжения, вентиляции, отопления);

– для создания санитарно-гигиенических условий (изоляция энергетических и холодильных агрегатов);

– для предотвращения возгораний (системы отопления).

В эксплуатации свойства теплоизоляции меняются из-за старения под действием температуры, увлажнения, вибрации, коррозии и т.д. Поэтому при постройке и после капитальных ремонтов проводится диагностирование технического состояния ограждающих конструкций кузовов по трем критериям:

1. Относительной герметичности.

2. Среднему коэффициенту теплопередачи всего кузова.

3. Способности обеспечивать функционирование в разных эксплуатационных условиях.

1.6.1. Испытание на герметичность

Перед испытаниями на герметичность грузовое помещение изотермического вагона тщательно герметизируют – проверяют состояние уплотнительных элементов грузовых дверей, вентиляционных каналов, штатных уплотнений сливных приборов, вводы трубопроводов и кабелей от холодильной установки. Разность температур наружного воздуха и грузового помещения не должна быть больше 3 ºС.

Суть испытаний заключается в определении величины утечки воздуха при поддержании в грузовом помещении избыточного давления 50 Па (5 мм вод. ст). Для этого через одно из сливных отверстий в грузовое помещение через расходомер подается воздух и с помощью микроманометра контролируется величина давления в грузовом помещении.

При помощи вентиля регулируют расход воздуха и добиваются такой его величины, при которой показания микроманометра зафиксировались на величине 50 Па. Вагон считается выдержавшим испытания, если величина утечки воздуха не превышает 40 м³/ч.

1.6.2. Определение коэффициента теплопередачи

Испытания проводят в закрытых помещениях, где нет прямой солнечной радиации и поддерживается температура 20±3 ºС. В вагоне закрываются люки, дефлекторы, сифоны, окна, двери, технологические отверстия в ограждающих конструкциях, включается заранее система отопления и охлаждения.

Теплопередача – сложный физический процесс обмена теплом через разделяющую стенку между средами с разной температурой, складывающийся из трех элементарных видов теплообмена: конвекции, излучения и теплопроводности.

Существует два принципиальных экспериментальных способа определения коэффициента теплопередачи – методом внутреннего охлаждения и методом обогрева. В первом случае вагон охлаждается с помощью штатной холодильной установки, а во втором – нагрев происходит с помощью тарированных электронагревателей.

Конвекция возникает вследствие перемещения микроскопических частиц среды (газа, жидкости) и сопровождается переносом тепла. Различают естественную конвекцию, вызванную неоднородностью среды (например, температурные изменения плотности газа) и вынужденную.

Тепловое излучение имеет электромагнитную природу и возникает в результате разогрева тела до сравнительно высоких температур (излучение солнца, инфракрасное, ультрафиолетовое излучения).

Теплопроводность – это перенос тепла от более нагретого тела к менее нагретому в результате теплового движения молекул нагретого вещества. Перенос энергии в форме тепла подчиняется закону Фурье

, (1.10)

где q_T – плотность теплового потока, Вт/(м²К);

λ – коэффициент теплопроводности.

На рис. 1.31 представлена схема теплопередачи между параллельными стенками с разным значением температур.

Знак минус в формуле указывает на то, что энергия перемещается в направлении снижения температуры.

Коэффициент теплопроводности теоретически можно определить из выражения

, (1.11)

где С_γ – изохорная теплоёмкость;

ρ – плотность газа;

V – средняя скорость теплового движения молекул;

L – длина свободного пробега молекулы.

Для уточнения физического смысла и размерности коэффициента теплопроводности перепишем выражение для закона Фурье в виде

, (1.12)

Таким образом, коэффициент теплопроводности – это количество тепла, которое передается через 1 м² поверхности в единицу времени при градиенте температуры в 1К, имеющий размерность Вт/(м²К).

Если передача тепла происходит в стационарных условиях через плоскую однородную стенку (рис. 1.32) в направлении перпендикулярном её поверхности, уравнение теплопроводности можно записать в виде:

, (1.13)

где Q_T – суммарный тепловой поток, Вт;

δ – толщина стенки, м;

T₁, T₂ – соответствующие значения температуры на поверхности стенки, К;

F – площадь стенки, м²;

R = – сопротивление теплообмену.

Стенка пассажирского (изотермического) вагона состоит из нескольких слоёв разнородных материалов (например, из резины, дерева, пенополистирола и стали). Схема передачи тепла через многослойную стенку приведена на рис. 1.33.

Коэффициент теплопередачи для многослойной стенки определяется из выражения:

, (1.14)

где δ_i – толщина отдельных слоёв материалов, составляющих конструкцию ограждения, м;

λ_i – действительные значения коэффициентов теплопроводности соответствующих материалов, Вт/(м²К);

R_λ – термическое сопротивление теплопроводности;

R_λ = , (1.15)

где R_α – термическое сопротивление конвекции;

R_α = , (1.16)

где α_в = α_ВК + α_ВЛ – коэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждения, Вт/(м²К);

α_Н = α_НК + α_НЛ – коэффициент теплопередачи наружной поверхности ограждения, Вт/(м²К);

α_ВК, α_ВЛ – соответственно коэффициенты теплопередачи внутренней поверхности конвекцией и излучением;

α_НК, α_НЛ – коэффициенты теплопередачи соответственно конвекцией и излучением наружной поверхности.

Так как ограждающими элементами кузова пассажирского вагона являются боковые и торцевые стены, окна, пол, крыша, то рассчитывают средний коэффициент теплопередачи

, (1.17)

где k_i – коэффициент теплопередачи i-го элемента ограждения внутреннего помещения вагона, Вт/(м²К);

F_i – среднегеометрическая площадь i-го элемента, м²;

F – среднегеометрическая площадь ограждений внутреннего помещения вагона, м².

Уральским отделением Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ОАО «ВНИИЖТ») на базе инфракрасного метода бесконтактного контроля параметров температурного поля ограждающих конструкций разработана информационно-измерительная система, названная «Поиск».

С помощью электроотопительных приборов или холодильной установки, смонтированных внутри испытываемого рефрижераторного (пассажирского) вагона, первоначально соответственно нагревают или охлаждают внутренние поверхности ограждений. После этого между ними и окружающей средой возникает перепад температур, а в местах нарушения состояния изоляции – локальные искажения температурного поля. Система «Поиск» как бы построчно сканирует контролируемую поверхность, осуществляя анализ температурного поля.

В зависимости от решаемой задачи система может работать в двух режимах: выявления дефектов (участков с соответствующей в результате «утруски» или увлажнений теплоизоляции) и измерения параметров температурного поля (поэлементной разности температур контролируемой поверхности и окружающей среды и абсолютных значений температур локальных зон ограждений).

Система «Поиск» состоит из сканирующего устройства, подвешенного в металлической раме так, что дает возможность за счет специального электропривода перемещаться вдоль участка проверяемой стены по вертикали для прохода с одной строки на другую по определенной траектории.

В основе принципа работы системы «Поиск» заложено свойство нагретых тел излучать инфракрасные лучи. Это излучение улавливается сканирующим устройством, проецируются на чувствительный элемент пирометра-болометра, превращающего их в электрические импульсы, пропорциональные разности температур контролируемой площадки и окружающей среды (при работе системы в режиме выявления теплопроводных мостиков). В случае дистанционного замера абсолютной температуры локальной зоны контролируемого ограждения энергия инфракрасного излучения преобразуется болометром в электрические сигналы, которые после усиления подаются на выход пирометра. Таким образом, сигнал на выходе пирометра пропорционален температуре контролируемой поверхности.

Характеристики сканирующего устройства: угол обзора прибора – 5º , расстояние до контролируемой поверхности 0,8–1,0 м, наименьшая площадь выявляемого дефекта 10 см, разрешающая способность по температуре 0,3 °С. Предусмотрена возможность записывать сигналы с помощью самописца.

Разработанная методика определения коэффициента теплопередачи кузова вагонапозволяет не только избежать одной из очень трудоемких операций – разборки внутренней обшивки кузова для выявления участков с пониженной изоляцией, но и оценить качество выполненного ремонта ограждающих конструкций кузова, произведенного со сменой теплоизоляционного материала. К недостаткам системы следует отнести невозможность диагностирования качества теплоизоляции торцевых стен и пола.

Более совершенным методом определения дефектов теплоизоляции без вскрытия элементов кузова является способ, основанный на детальном измерении инфракрасного излучения (ИК-излучения). Реализация данного способа стала возможной в настоящее время благодаря появлению новых тепловизоров (ИК-радиометров).

Радиометры и тепловизоры – приборы для бесконтактного измерения инфракрасного излучения, распространяемого от нагретого тела. Количество излучаемой энергии зависит от температуры, состояния поверхности и её излучающей способности. Излучаемая энергия распределяется во всем электромагнитном спектре. Однако для любого предмета с определенной температурой имеется только одна длина волны, для которой излучаемая энергия является максимальной.

Радиометры предназначены для точечного измерения температуры, а тепловизоры воспроизводят картину распределения тепловых полей по поверхности объекта.

Современный ИК – мониторинг технического состояния подвижного состава позволяет получать в реальном масштабе времени не только интегральные потоки ИК-излучения, но и детальное распределение теплового поля ограждающих конструкций изотермического подвижного состава (ИПС), которое характеризует нарушение теплоизоляции, несовершенство технологии или конструкции кузова. В основе метода поиска утечек тепла в ограждающих конструкциях вагонов рефрижераторной секции, кузова изотермического контейнера и пассажирского подвижного состава лежит идея обнаружения аномалий коэффициента теплопередачи методами инфракрасного мониторинга. Для этого внутри термостабилизированных систем создавался избыток температуры по отношению к окружающей среде и контролировался поток инфракрасного излучения с поверхности ограждающих конструкций системы. При наличии локальной утечки тепла в зонах нарушения изоляции уровень светимости участков превышал светимость прилегающих зон, что, собственно, и позволяло локализовать и идентифицировать участки дефектов.

Испытания проводятся методом внутреннего обогрева. При этом внутри изотермического кузова транспортного рефрижератора образуется избыточная, по отношению к окружающей среде, температура. За счет теплопроводности на внешней поверхности кузова образуются (проявляются) температурные поля различной интенсивности и конфигурации. Запись этой информации осуществляется с помощью тепловизора в память ПЭВМ. Каждой такой зоне будет соответствовать свой локальный коэффициент теплопередачи.

Полученная информация позволяет не только количественно оценить величину теплопотерь через участки ограждающих элементов, но и внести коррективы в конструкторскую документацию при проектировании теплоизолированного кузова опытной партии крупнотоннажных рефрижераторных контейнеров и провести сравнительные испытания ограждающих конструкций различных контейнеров.

Кроме стационарных испытаний ограждающих конструкций вагонов и контейнеров существуют уникальные испытательные станции, которые предназначены для проведения широкого комплекса климатических испытаний опытных натурных образцов наземных транспортных средств. Сорок лет тому назад эксперты железнодорожной отрасли установили целесообразность в воспроизведении погодных условий при испытаниях современного железнодорожного парка. Поэтому в 1961 году был построен первый в мире испытательный центр для локомотивов и пассажирских вагонов на территории компании Arsenal в Вене. Климатическая аэродинамическая труба предоставляла возможность создания широкого разнообразия «искусственных» погодных условий для проведения климатических испытаний всех видов железнодорожного подвижного состава. Цель этих исследований заключалась в оценке теплового баланса пассажирских вагонов, специальных грузовых вагонов и вагонов-рефрижераторов. С самого начала эти исследования предусматривали определение потребности в тепле, тепловых потерь, коэффициентов теплопередачи и показателей комфорта в салонах пассажирских вагонов.

После завершения срока службы старой испытательной станции в 2003 году была введена в эксплуатацию новая Венская климатическая аэродинамическая труба (рис. 1.34). Это связано с большим спросом на подобное оборудование и заслуженным авторитетом эксплуатирующих фирм и производителей. Венская климатическая аэродинамическая труба принадлежит компаниям «Arsenal Research» (26 %), «Alstom Transport» (14,8 %), «Bombardier Transportation» (29,6 %), «Siemens SGP» (14,8 %), и «AnsaltoBreda/Firema Transporti» (14,8 %). Arsenal Research (Австрийский центр исследований и испытаний) частично возглавляется австрийским правительством.

Спектр испытаний новой Венской климатической аэродинамической трубы значительно расширен. Она позволяет определить не только теплотехнические параметры подвижного состава, но и проводить функциональные, аэродинамические испытания, моделировать всевозможные погодные условия.

В связи с введением новых европейских стандартов ЕN 13129-1,2 (воздушное кондиционирование для магистрального подвижного состава), EN 14750-1,2 (воздушное кондиционирование городского и пригородного подвижного состава), EN 14813-1,2 (воздушное кондиционирование для кабин управления), а также нормативного документа UIC553-1 «Отопление, вентиляция и воздушное кондиционирование в вагонах» потребность в проведении испытаний с целью обеспечения температурного комфорта на железнодорожном подвижном составе возросла.

Технические характеристики венской климатической трубы приведены в табл. 1.7.

Таблица 1.7

Технические характеристики Венской климатической

аэродинамической трубы

Продолжение табл. 1.7

Относящиеся к безопасности параметры, правильное функционирование и надежность отдельных частей могут быть определены при выполнении специальных испытаний в чрезвычайных климатических условиях. Функциональные испытания разделяются на следующие категории, зависящие от требуемых климатических условий:

– экстремальные температуры и влажность (все механические, электрические, электронные, пневматические части);

– дождь и ветер (правильная изоляция всего транспортного средства, коридоров, дверей, окон, правильная работа дворников);

– мокрый снег (все механические части, подверженные внешним условиям такие, как двери, ступени, сцепление, тормозная система и т.д.);

– сухой снег (проникновение снега в воздушные насосы, автоблокировки и т.д.);

– наледь (все механические части, подверженные влиянию внешних условий такие, как двери ступени, сцепление, тормозная система и т.д.)

Однако, действие только одних климатических испытаний не всегда является достаточным. Вдобавок к погодным и ветровым условиям, испытания должны моделировать реальные эксплуатационные динамические усилия на тележке так же, как и на работу при движении в режиме тяги и торможении. Такие испытания проводятся с использованием динамометра, который может также работать в тормозном режиме.

Климатическая аэродинамическая труба разрабатывается для реального моделирования не только условий окружающей среды, таких как температура, влажность и солнечное излучение, но и механических нагрузок.

Динамометр используется для измерения передаваемых усилий при трогании с места или торможении. Это позволяет измерить кривую усилий колеса как функцию скорости движения. Испытания с использованием динамометра входят в состав дополнительных испытаний при экстремальных погодных условиях:

– при трогании в холодных условиях.

– при низких окружающих температурах (проект разогревающих установок).

– проникновении снега в воздушные насосы (двигатели, охлаждающие воздух, всасывающий насос, установки кондиционирования воздуха);

– работе различных систем таких, как тормозные системы, в условиях наледи, снега и воды;

– при работе в результате забора охладительной установкой или установкой кондиционирования воздуха, теплого воздуха, который всасывается обратно в систему (контролируются потери).

В климатической аэродинамической трубе проводятся также аэродинамические испытания таких частей, как, например, пантограф и дворники ветрового стекла. При испытании моделей транспортных средств также учитывают влияние ветра на боковую сторону и воздушные потоки в установке кондиционирования воздуха (забор свежего воздуха, выпуск конденсата).

Венская климатическая воздушная установка позволяет смоделировать любые климатические условия, например регулируемую скорость ветра, действие продолжительного солнечного излучения мощностью 1000 Вт/ м², влажность воздуха.

Вентилятор продувает воздух по замкнутой схеме через теплообменник, где он может быть охлажден до минус 50 °С или разогрет до плюс 60 °С. Холодильная установка мощностью 6,2 МВт (при температуре испарения минус 10 °С) позволяет быстро охладить обе секции, где проходят испытания, используя три компрессора, которые могут включаться отдельно. В 100-метровой трубе максимальная скорость ветра достигает 300 км/ч, а малой аэродинамической трубе – до 120 км/ч. Имеется возможность изменять направление и силу воздушного потока по отношению к испытываемому объекту, регулировать температуру при испытаниях систем кондиционирования, моделирующих движение по туннелю зимой.

Солнечное излучение имитируется солнечными панелями (излучателями), занимающими площадь 47,5 м² в большой трубе и 30 м² – в малой. Они устанавливаются для определения влияния гомогенного солнечного излучения на крышу и одну сторону испытываемого объекта. Дополнительная панель позволяет измерять излучение в торцевых частях испытываемого транспортного средства.

Для имитации воздействия солнечного излучения на боковые стенки и крыши подвижного состава в обеих испытательных камерах установлены излучатели, которые могут направлять световой поток под углом 30°. Для изучения воздействия солнечного излучения на лобовые части и кабину машиниста рельсового экипажа используются установленные со стороны воздуходувного агрегата излучатели, угол падения светового потока от которых может изменяться от 0 до 90°. Удельная мощность излучения в обоих случаях может бесступенчато регулироваться в пределах от 250 до 1000 Вт/м.

Для имитации снега, дождя, обледенения обе испытательные камеры со стороны воздуходувного агрегата оснащены распылительной установкой. Предусмотрена возможность воссоздания снегопада или обледенения по всей рабочей длине камеры, для чего размер взвешенных частиц влаги в воздухе должен быть менее 20 мкм. Для воссоздания зоны локальных снежных заносов или обледенения, вдоль испытательной камеры равномерно закреплены штуцеры нагнетательной системы, к которым могут подключаться отдельные распылительные форсунки. Описанная система может использоваться при скоростях воздушного потока до 160 км/ч и температурах до минус 20 °С.

Дождевая распылительная установка, которая устанавливается на потолке, может быть запрограммирована на количество осадков, равное 80 л/м²ч. Эти установки в аэродинамической трубе делятся на 15-метровые секции, которые могут включаться и выключаться отдельно. При проведении специальных видов измерений с распылительным оборудованием необходимо оценивать требуемые размеры капель и особенности их распределения. С этой целью используется измерительная система компании Malvern типа RTS5A2C Spraytec с датчиками IP65, диапазон измерений которой находится в пределах от 0,5 до 200 мкм.

С помощью размещенного в передней зоне испытательной камеры каткового стенда могут осуществляться тормозные и тяговые испытания отдельной тележки рельсового экипажа. В конструкцию каткового стенда входят две пары катков, одна из которых оснащена собственным тяговым приводом (максимальная мощность 850 кВт) и тормозной системой, а другая пара катков является свободно вращающейся, причем её расстояние от приводной пары катков (база тележки) может регулироваться.

Динамометрическое оборудование, установленное в средней части камеры и предназначенное для тестирования трамвайных вагонов, имеет приводную мощность 250 кВт и максимальную тормозную мощность 300 кВт.

Для целого ряда функциональных тестов, относящихся, например, к токоприемникам или высоковольтным разъединителям, требуется использовать переохлажденную воду для получения прозрачного льда. С этой целью используется водоохлаждающее устройство с насосной установкой.

Наглядное представление результатов испытаний с помощью современных технических вспомогательных средств оказывается совершенно необходимым при проведении разного рода функциональных тестов. Для того, чтобы зарегистрировать важнейшие моменты функционирования различных устройств подвижного состава, например, открывание дверей обледеневшего поезда, используется видеосъемка, а фотографирование усиливает выразительность графически интерпретированных результатов измерений.

Целью термографических исследований, с одной стороны, является оценка термоизолирующих свойств конструкций кузовов подвижного состава, а с другой стороны определение и контроль особенностей поверхностного распределения температур в зонах обеспечения комфорта пассажиров (например, распределение температур в области вагонных окон).

Термографии подвергаются отдельные участки наружной стенки вагона, после чего разрозненные фрагменты измерений интегрируются в общую картину с помощью ЭВМ. Посредством тепловизионной камеры могут идентифицироваться неисправности в электрооборудовании, предназначенном для нагрева конструктивных элементов подвижного состава, а также прослеживаться процессы нагрева или охлаждения различных агрегатов.

Современные мобильные измерительные системы позволяют контролировать до 1000 зон измерений.

К числу используемых для этого чувствительных элементов относятся датчики температуры воздуха и поверхностей конструкций подвижного состава, датчики влажности, низкоскоростные анемометры, датчики давления хладагентов, динамометры, датчики перемещений и вибраций, преобразователи тока, напряжения и мощности и др.