CC BY
45
Лукьянов А. В., Гарифулин В. Ю., Перелыгин В. Н., Романовский А. И. УДК 62-77
КОМПЛЕКС ТЕРМОДИАГНОСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
Актуальность проблемы внедрения теплови-зионного контроля и диагностики локомотивов обусловлена тем, что около 50% отказов и неплановых ремонтов электровозов вызвано дефектами электрического оборудования.
Проведенный сотрудниками научно-исследовательской лаборатории «Техническая диагностика и механика» (ТДМ) Иркутского государственного университета путей сообщения в течении 2002-2007 гг. комплекс экспериментальных работ по тепловизионному контролю электровозов показал возможность при их техническом обслуживании и ремонте выявления таких дефектов, как межвитковые замыкания, нарушение и пробой изоляции обмоток электродвигателей и реле, ослабления соединений шин и шунтов, дефекты тяговых трансформаторов, сглаживающих реакторов, выпрямительных установок, цепей управления, крышевого и низковольтного оборудования, аккумуляторных батарей, щеточно-коллекторыных узлов, подшипников, зубчатых, ременных передач и др. [1-3].
Однако, был выявлен и ряд существенных проблем:
- сложность распознавания и идентификации деталей и узлов по их инфракрасным изображениям из-за низкой термоконтрасности, существенного отличия формы и вида деталей на ИК -изображениях по отношению к их фотоизображе-
ниям, высокой плотности монтажа электрических сборок электровоза, использования большого количества одинаковых и типовых деталей (рис. 1);
- затрудненность и невозможность доступа к работающему высоковольтному оборудованию;
- отсутствие нормативной базы по допустимым температурам и коэффициентам излучения большинства деталей и узлов;
- отсутствие программы тепловых испытаний электровозов;
- отсутствие технологий проведения тепло-визионного контроля оборудования электровозов при ТО и ТР.
В рамках реализации НИОКР по данной теме в лаборатории ТДМ ИрГУПС в 2007 г. разработан термо- оптический комплекс, включающий тепловизор, цифровую фотокамеру и программу «TermoFot», позволяющий одновременно получать термо- и фотоизображения контролируемых объектов и совмещать эти изображения с целью идентификации перегретых деталей или определения температуры заданных на фотографии деталей [4]. Причем, в состав термо- оптического комплекса можно включать тепловизоры и фотоаппараты различных моделей. Варианта такого термо- оптического комплекса созданного на базе тепловизора Ш! 4010, цифровой фотокамеры №соп» и изготовленной фиксирующей рамки приведен на рис.2.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Рис.2. Термо- оптический устройство в сборе
Рис.3. Получение синхронных термо- и фотоизображений
На экранах термо- оптического устройства синхронно отображаются детали сцены в оптическом (сверху) и инфракрасном (снизу) диапазонах спектра излучения (рис.3). Анализ перегретых деталей может быть произведен визуально по фото-и ИК изображениям на экранах устройства при установке нижнего порога отображаемой температуры нагрева деталей (например, 500 С). Это позволяет экономить время при термоинспекции, концентрируя внимание только на тех деталях, температура которых превышает этот порог.
В случае затруднений в распознавании деталей при ИК съемке (примерно в 20 - 25 % случаев) производится их синхронная съемка фотокамерой и тепловизором, запись информации на магнитных носителях (флэш- картах) с последующей обработкой на ноутбуке с использованием разработанной авторами программой «ТегшоРо1 1.0».
1. Разработка алгоритмов и программы «TermoFot 1.0» совмещения термо- и фото- изображений
При создании термо- оптического устройства авторы приняли схему объединения в единый измерительный комплекс серийно выпускаемого тепловизора и цифровой фотокамеры. Этот подход при всех его издержках позволяет формировать термо- оптическую измерительную систему практически с любыми образцами постоянно совершенствуемого серийного оборудования. При этом авторы, объединяя тепловизор и фотокамеру механически с помощью специальной фиксирующей рамки, не соединяют приборы электрически, тем самым, сохраняя возможность гарантийного обслуживания и ремонта этих приборов сервисными центрами фирм-изготовителей. Ошибки совмещения термо- и фото- изображений вызываемые несинхронной съемкой, смещением оптических осей камер, деформациями (в т.ч. температурными) термо- оптической системы компенсируются специально разрабатываемыми алгоритмами.
По мнению авторов проекта, такой подход является более универсальным, открытым для совершенствования и доработок, более экономически обоснованным, чем изготовление специализированных устройств совмещающих функции тепловизора и фотоаппарата.
Рассмотрим задачу совмещения термо- и фото- изображений (рис.4). Точки С1 и С2 являются центрами проекций фотоаппарата и тепловизора. Изображение в камерах проецируется на регистрирующие матрицы. Прямые С1О1 и С2О2 - оптические оси камер, перпендикулярные плоскости проекции. При фиксации изображений в 2-х разных плоскостях п и п2 расположенных на расстоянии ^ и оптические оси камер пересекаются с плоскостями - для фотокамеры в точках О1 и О), для тепловизора в точках 02и О'2.
Рис.4. Схема формирования изображений сенсорами фотокамеры (вверху) и тепловизора (внизу)
СИСТЕМНЫМ АНАЛИЗ И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ
Для обоих сенсоров пунктирными линиями обозначены углы зрения (тепловизоры, как правило, имеют меньший угол зрения, чем фотокамеры).
Смещение оптических осей камер на расстояние I, обуславливает параллакс - угловое смещение прямых, проведенных из оптических центров камер до какой-нибудь точки на объекте визирования. При удалении от центра проекции параллакс уменьшается и наоборот. Наличие параллакса обусловливает различие получаемых сенсорами изображений одной и той же сцены. Кроме того, параллакс обусловливает искажение формы объекта в изображениях для разных сенсоров.
Разработана программа совмещения термо -и фото- изображений реализующая алгоритмы:
а) проективного преобразования;
б) последовательного деления областей изображений на части;
в) численной интерполяции по результатам предварительной калибровки термооптической системы;
г) управляемого совмещения по базовой детали, видимой на ИК- и фото- изображениях
с использованием процедуры наложения изображений («морфинга»).
Например, алгоритм проективных преобразований (а), который используется в некоторых современных специализированных тепловизорах требует отыскания на термо- и фото- изображениях 4-х идентичных точек и основан на решении системы линейных уравнений:
х'" " а„ а12 а13" " X
г у = а21 а22 а23 У
а _а31 а32 азз_ а
х аих + а12у + а За
достаточных для нахождения 8-и коэффициентов матрицы преобразований изображений.
К недостаткам данного метода можно отнести высокую трудоемкость отыскания 4-х идентичных точек на непохожих термо- и фото- изображениях, а также то, что данный метод хорошо работает только при совмещении точек лежащих в одной плоскости.
Развитием приведенного выше алгоритма является создание авторами проекта алгоритмов (б,в,г) позволяющими уверенно совмещать термо-и фото- изображения объемных объектов, полученных при несинхронной по времени съемке различными термо- и фото- камерами.
Для объектов объемных сцен авторами предложен метод последовательного деления областей изображений на части (б). Метод также требует отыскания 4-х пар идентичных контрольных точек на термо- и фото- изображениях и работает только с точками находящимися внутри образованного контрольными точками четырехугольника (рис.5). Достоинствами этого метода является высокая точность и нечувствительность к увеличенному параллаксу термо- и фото- камер.
а' аЪ1х + а32у + а
у' а2 х + а22у + а2 За
У ! .
а аЪ1х + а32у + а3 За
Число степеней свободы при проекционных преобразованиях принимают равным 8, при этом переменную ю и коэффициент а33 для удобства принимают равным 1. Тогда для расчета матрицы коэффициентов преобразования ац достаточно 4-
х опорных точек на термо- и фото- изображениях. Для каждой точки термо- и фото- изображений
задаются по 2 координаты, соответственно: х', у'
и X , у . Четыре опорные точки дают 8 уравнений,
Рис. 5.Совмещение изображений с использованием метода деления области изображения на части
Метод численной интерполяции по результатам предварительной калибровки (в) термо- оптической системы позволяет совмещать термо- и фотоизображения с удовлетворительной точностью в автоматическом режиме, но требует точного определения расстояния до центра сцены, чувствителен к взаимному положению тепловизора и фотокамеры, к деформации фиксирующей рамки и требует строгой синхронности во времени съемки обеими камерами изображений контролируемых объектов, что трудно добиться при отсутствии электрической связи пусковых механизмов камер. Этот алгоритм используется в результирующей
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
программе совмещения изображений «TermoFot 1.0» на начальном этапе (первом шаге).
Наиболее универсален алгоритм управляемого совмещения по базовой детали термо- и фото- изображений (г). Алгоритм использует адаптивную подстройку по одному объекту, видимому на термо- и фото- кадрах с использованием функции наложения («морфинга») фрагментов термо- и фото- изображений. Он позволяет совмещать объекты снятые под различным углом, компенсировать постоянные составляющие смещений изображений, возникающие из-за несинхронности съемки, при деформациях термо-оптической системы или сложного пространственного расположения деталей на сцене. Можно также изменять масштабы совмещаемых термо- и фотоизображений базовой детали путем точной настройки шкалы расстояния.
Разработанная программа «TermoFot 1.0» реализует возможность совмещения термо- и фото- изображений по всем 4 выше описанным методам, что делает ее универсальной в использовании. Наиболее эффективным в использовании и точности совмещения является сочетание алгоритма совмещения по результатам предварительной калибровки тером- оптической системы (на первом шаге) и управляемого совмещения по базовой детали с использованием функции «морфинга» (рис.6) .
эффициентов излучения контролируемых деталей элетровозов (в качестве базового, выбран электровоз ВЛ-85). При этом проведена классификация типовых деталей электровоза по функциональным и конструктивным параметрам, виду используемых материалов, по допустимым температурам нагрева. Для контролируемых деталей предложена абсолютная и относительная шкала допустимых температур. Последняя определяется как по отношению к температуре окружающего воздуха, так и по температуре аналогичных деталей работающих в тех же условиях (в этой же или другой секции электровоза).
Разработана таблица допустимых температур более 80 типовых деталей электровоза ВЛ-85, из которых выделены 22 основных типовых элементов, наиболее часто контролируемых при термоинспекциях.
При испытаниях метода термодиагностики на 60 электровозах различных типов проведен большой объем экспериментальных исследований по определению и статистическому анализу распределения температуры деталей основных контролируемых узлов. В частности, на рис.7 показан график распределения (в процентах) избыточной относительно окружающего воздуха температуры силовых шин на обследованных электровозах ВЛ-85. График показывает, что превышение избыточной температуры силовых шин допустимых значений (50° С) наблюдалось примерно в 20% случаев, из них в 10 % случаев избыточная температура была очень значительной (более 80° С), что связано с аварийными режимами работы шинного монтажа.
Рис. 6. Совмещение термо- и фотоизображений программой «TermoFot 1.0» с использованием функции наложения «морфинг»
2. Разработка нормативной базы по допустимым температурам и коэффициентам излучения контролируемого оборудования электровозов.
Проведен большой комплекс теоретических и экспериментальных исследований по разработке нормативной базы допустимых температур и ко-
90 100 110 120 130
Г1 с
Рис.7. Распределение избыточной температуры силовых шин электровозов ВЛ-85
Аналогичные графики распределения абсолютной и избыточной температуры были получены для большинства типовых деталей электровоза, что позволило уточнить значения таблицы допус-
тимых температур. При формировании таблицы допустимых температур в первую очередь использовались существующие нормативные документы, определяющие рабочие и предельные температуры отдельных единиц оборудования электровозов, а в случае отсутствия таковых, использовались аналогичные нормативные документы на однотипные детали, применяемые в других отраслях промышленности (например, электротехники). И наконец, в случае отсутствия аналогов, допустимые температуры назначались на основе обработки экспериментальных данных.
Точность тепловизионного контроля связана также с правильным назначением коэффициентов излучения контролируемого оборудования. Все табличные коэффициенты излучения проверены и уточнены экспериментально, выявлена их существенная зависимость от сроков и условий эксплуатации.
3. Разработка и исследование программ тепловых испытаний электровозов
Большой объем исследований проведен по выбору режимов тепловых испытаний электровозов, позволяющих:
- в максимальной степени выявлять дефекты, связанные с ненормативным перегревом оборудования;
- создавать типовые условия для повторяемости режимов тепловых испытаний и сравнимости их результатов у разных электровозов при различных предшествующих условиях их работы и изменяющейся температуре окружающей среды.
Экспериментально апробировались следующие режимы тепловых испытаний:
- на остаточный нагрев после отцепки электровозов от поезда;
- во время движения электровоза с поездом при максимальной нагрузке (около 6000 тонн);
- после работы электровоза под нагрузкой в заторможенном состоянии.
Наиболее эффективным оказался последний режим испытаний, причем материалы проведенных экспериментов позволили определить зависимость необходимого времени теплового испытания от времени года и климатических условий, что позволяет обеспечить одинаковые условия прогрева для эффективного сопоставления результатов тепловизионного контроля. Время необходимой работы оборудования электровоза под нагрузкой определялось при различной наружной температуре воздуха (от +300 С до -200 С) по графикам изменения температуры типовых узлов, работающих под нагрузкой (рис.8).
4 5 7 11 15 20 25
время, мин
Рис.8. Изменение температуры контакта силовых шин от времени работы электровоза под нагрузкой, при температуре окружающей среды 0° С.
В результате получены графики необходимой работы электровоза под нагрузкой при его тепловых испытаниях и различной температуре окружающей среды. Эксперименты по определению тепловой инерции деталей (времени остывания) позволили задать необходимую последовательность обхода и тепловизионного контроля оборудования электровоза при отключении его от контактной сети.
4. Разработка технологии проведения тепловизионного контроля оборудования электровозов
В результате проведенного комплекса работ разработаны технологии тепловизионного контр оля при техническом обслуживании и текущем ремонте электровозов. Технологии определяют последовательность и объем работы операторов при заходе электровоза на ТО, выходе электровоза из текущего ремонта с целью определения дефектов электрического оборудования, связанных с перегревом. Разработана также технология теплового контроля тяговых электродвигателей при их ремонте. При этом:
- определяется режимы и время тепловых испытаний;
- назначается последовательность обхода оператором контролируемого оборудования
электровоза в обесточенном состоянии;
- назначаются режимы работы тепловизора, позволяющие быстро выявлять
перегретые детали до момента их остывания;
- определяется последовательность регистрации и протоколирования дефектов,
в случае их обнаружения.
5. Результаты опытно- промышленного апробирования работы комплекса термодиагностики при ТО и ТР электровозов
Термо- оптический комплекс и технологии термодиагностики дефектов оборудования электровозов прошли успешное апробирование при ТО
электровозов в локомотивных депо Иркутск-сортировочный и Тайшет. В конце 2007 г. система термодиагностики была передана для эксплуатации в локомотивное депо Нижнеудинск ВСЖД и успешно используется при текущем ремонте и испытаниях электровозов после ремонта. За 2008 г. с помощью комплекса термодиагностики выявлено более 150 дефектов электровозов, не поддающихся выявлению с помощью других средств контроля. На рис.9 показана диаграмма Парето распределения обнаруженных термодефектов по видам оборудования электровозов.
Таким образом, в результате проведения системы научно- исследовательских и экспериментальных работ разработана концепция объединения тепловизоров и цифровых фотокамер в единый комплекс термо- оптического контроля, разработаны методы, алгоритмы и программное обеспечение совмещения термо- и фото- изображений, что значительно повышает эффективность тепловизионного контроля различного оборудования. Разработана нормативная база допустимых температур и коэффициентов излучений, программа тепловых испытаний электровозов и тех-
нологии термодиагностики оборудования электровозов при ТО и ТР.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Лукьянов А.А., Капустин А.Н., Бондарик В.В. Термодиагностика оборудования электровозов. - Локомотив, 2004, №6. - с. 24-26
2. Лукьянов А.В., Капустин А.Н. ,Лукьянов А.А. Алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированного термомониторинга и диагностики оборудования. - Контроль. Диагностика, №9, 2005 г.
3. Лукьянов А.В., Михальчук Н.Л., Капустин Н.И., Лукьянов А.А., Капустин А.Н. Автоматизация тепловизионного контроля оборудования локомотивов. - Железнодорожный транспорт, №8, 2005 г.
4. Lukiyanov A.V., Perelygin V.N., Garifulin V.Yu., Romanovskiy A.I. Thermal Imaging Diagnostics of Electric Locomotives// Innovation & Sustaina-bility of Modern Railway Proceedings of the First International Symposium (ISMR'2008), рр.592-957. - Nanchang , China, Oktober 16-17, 2008.
