1 Ivan RANĐELOVIĆ, dipl.maš.inž., Mašinski fakultet Niš, Aleksandra Medvedeva 14, e-mail: icirand@gmail.com 2 Nenad T. PAVLOVIĆ, Prof. dr Mašinski fakultet Niš, Aleksandra Medvedeva 14, e-mail: pnenad@masfak.ni.ac.rs. 197

MOGUĆNOSTI PRIMENE IC TERMOGRAFIJE U DIJAGNOSTICI I ISPITIVANJU ŽELEZNIČKIH SISTEMA

Ivan T. RANĐELOVIĆ 1 Nenad T. PAVLOVIĆ 2

Rezime – U radu je prikazana mogućnost primene IC termografije za dijagnostiku i ispitivanje termofizičkih osobina železničkih sistema u cilju ranog otkrivanja anomalija i kvarova. IC termografija koristi instrumente predviđene za analizu zračenja energije u infracrvenom delu svetlosnog spektra. Pri analizi se traže anomalije u predviđenoj raspodeli temperatura, odnosno područja sistema koja su toplija ili hladnija nego što bi očekivano trebalo da budu. IC termografija spada u relativno nove vizualne beskontaktne metode za dijagnostiku i ispitivanje, i našla je je široku primenu u održavanju ne samo železničkih, već i mnogih drugih tehničkih sistema.

Ključne reči – IC termografija, održavanje železničkih sistema, ispitivanje bez razaranja, daljinsko merenje temperature

1. UVOD

IC termografija je beskontaktna metoda merenja temperature i njene raspodele na površini tela. Temelji se na merenju intenziteta infracrvenog zračenja s posmatrane površine. Rezultat termografskog merenja je termogram, koji u sivim tonovima ili nekom kodu boja daje sliku temperaturne raspodele na površini posmatranog objekta. Temperaturna raspodela posredno daje informaciju o različitim stanjima same površine ili je pak odraz strukture i unutrašnjeg stanja posmatranog objekta.

Ova metoda ima široku primenu u dijagnostici i ispitivanju tehničkih sistema. Kao takva našla je primenu za ispitivanje i dijagnostifikovanju kvarova železničkih sistema.

2. OSNOVE ZRAČENJA TOPLOTE

Zračenje toplote je mehanizam prenosa toplote koji zavisi isključivo od temperature tela, kao i od stanja njegove površine. Sva tela sa temperaturom iznad apsolutne nule emituju energiju u formi elektromagnetnog zračenja, koje se kreće kroz prostor brzinom svetlosti 3·108 m/s.

Talasna dužina zračenja λ je vezana za frekvenciju talasa v i brzinu širenja talasa c preko izraza:

λν ⋅=c (1)

U spektru elektromagnetnih talasa toplotno

zračenje se pojavljuje u području talasnih dužina od 3nm do 400 nm – oblast ultraljubičastog (UV) zračenja, od 0.4 μm do 0.76 μm – oblast vidljive svetlosti, i posebno u pojasu talasnih dužina od 1 μm do 1000 μm – oblast infracrvenog (IC) zračenja.

Slika 1. Spektar elektromagnetnih talasa

Za razliku od provođenja i konvekcije, zračenju nije neophodan medijum kao posrednik.

3. IC TERMOGRAFSKE KAMERE

IC termografske kamere predstavljaju najsavršenije i najsavremenije instrumente za beskontaktno merenje temperature preko praćenja IC zračenja. Za ove instrumente paraleleno se koristi više naziva kao što su termografske kamere, infracrvene kamere, termovizijske kamere.

Termografske kamere mogu biti prenosne ili prilagođene za fiksnu upotrebu. Drugi tip kamera je

XIV NAUČNO-STRUČNA KONFERENCIJA O ŽELEZNICI Niš, 7. i 8. oktobar 2010.

198

namenjen za primenu u laboratorijama, procesnoj industriji i sl., dok prenosne termografske kamere predstavljaju osnovni instrument za primenu u tehničkoj dijagnostici.

Savremeni sistem za termografiju sastoji se od kamere i odgovarajućeg softvera. Kamera se sastoji iz optičkih elemenata, detektora IC zračenja, elektronskog dela sa memorijom za obradu signala u video signal, i monitora za prikaz.

Slika 2. Software za obradu i pregled IC snimka

Propratni softver (slika 2) koji prati uređaj služi za obradu, pregled i dokumentovanje snimaka. Unošenjem dodatnih parametara (kao što su npr. razdaljina od snimanog objekta, karakteristike objekta i temperatura okoline), softver može na osnovu snimaka da izračuna temperature snimanih objekata.

IC detektor zračenja je osnovni element od koga direktno zavisi kvalitet samog uređaja. U ovakve kamere se ugrađuju uglavnom dva tipa detektora:

− hlađeni i nehlađeni IC detektori u linijskoj ravni,

− nehlađeni IC detektori u fokusnoj ravni. Nehlađeni IC detektori u linijskoj ravni (IRLS-

Infra Red Line Scaning) su se ugrađivali pre desetak godina u IC fotoaparate, što je dovelo do revolucije i široke primene ovakvih uređaja. Međutim, ovi uređaji nisu pružali mogućnost video zapisa. Zato se danas koriste nehlađeni IC detektori u fokusnoj ravni (FPA-Focal Plane Array). Na slici 3 se može videti kako se lik predmeta formira na matrici fotodetektora.

Slika 3. Formiranje lika predmeta na FPA

Rezolucija detektora IC zračenja je osobina vezana

za sve kamere, tako da je i na isti način definisana preko broja piksela. Naravno, rezolucija IC kamera je dosta manja nego kod običnih kamera.

Obzirom na talasni i temperaturni opseg merenja, IC kamere se dele na kamere osetljive na dugotalasno i kratkotalasno IC zračenje. Kamere za dugotalasno zračenje mere temerature na nižem opsegu od �20 °C do 500 °C. U ovoj grupi su standardne termografske kamere koje se koriste u održavanju. Mogu se koristiti i za temperature i do 2000°C uz pomoć dodatnih filtera, kao i za merenje na velikim udaljenostima.

Kamere za kratkotalasno zračenje su specijalizovane za visoke temperature preko 500°C. Mada se ne mogu koristiti na velikim udaljenostima, koriste se u postrojenjima sa visokim temperaturama u proizvodnji.

Pored ovih osnovnih karakteristika bitne karakteristike su i termička rezolucija, prostorna rezolucija i tačnost merenja.

4. DIJAGNOSTIKA I ISPITIVANJE STANJA ŽELEZNIČKIH SISTEMA IC TERMOGRAFIJOM

Savremeni programi održavanja železničkih sistema i opreme se sve više oslanjaju na prediktivnom održavanju, primenom metoda tehničke dijagnostike. Pod pojmom tehnička dijagnostika podrazumeva se naučno-tehnička disciplina kojoj pripadaju teorija, metode i sredstva za raspoznavanje stanja tehničkih sistema u uslovima ograničenih informacija. Osnovni cilj tehničke dijagnostike je da se otkrije i spreči potencijalni otkaz. To se postiže merenjem karakterističnih (dijagnostičkih) parametara i na osnovu određenih kriterijuma donosi zaključak o tome da li se oni nalaze u dozvoljenim granicama ili ne. Kod savremenih tehničkih sistema, sa aspekta identifikacije koriste se metode tehničke dijagnostike zasnovane na:

1. merenju i analizi vibracija i merenju buke (vibroakustičke dijagnostičke metode),

2. praćenju termičkog stanja (IC termografija) i 3. metode ispitivanja bez razaranja (ultrazvučne

metode i videoskopske metode). Kada je reč o tehničkoj dijagnostici i ispitivanju

železničkih sistema primenom IC termografije, razlikujemo tri tipa ispitivanja: dijagnostiku i ispitivanje mehaničkih komponenti; električnih i elektronskih sistema, odnosno građevinske infrastrukture i građevinskih objekata.

4.1. Ispitivanje mehaničkih komponenti i sklopova železničkih sistema

Veliki broj različitih mehaničkih komponenti i sklopova železničkih sistema može biti predmet IC termografskog ispitivanja, u cilju utvrđivanja rasporeda temperaturskih polja i otkrivanja

ODRŽAVANJE VOZILA I INFRASTRUKTURE VEHICLE AND INFRASTRUCTURE MAINTENANCE

199

potencijalnog neregularnog zagrevanja. Ispitivanje se svodi na mehaničke sisteme u kojim

postoji neki oblik kretanja (pravolinijsko ili rotaciono). Jasno je da su tribološki procesi u mehaničkim sistemima osnovni generator stvaranja toplote koja se prenosi sa mesta nastanka na ostale komponente. Praćenjem pravca prostiranja toplote i lociranjem tačaka sa najvišom temperaturom moguće je identifikovati komponente koje nepravilno funkcionišu, odnosno imaju rane simptome otkaza. To su najčešće kotrljajni ležajevi, različiti oblici zaptivki, spojnice, vratila i osovine, ogibljenje, kočioni sistem (disk kočnice, točkovi), šine itd.

Slika 4. Ispitivanje zagrejanosti točka vagona

Na slici 4 prikazano je ispitivanje zagrejanosti površine na obodu točkova, usled trenja sa frikcionim paknovima kočionog sistema. Primenom IC kamere omogućen je uvid u temperaturnu raspodelu na površini točka. Tribološki proces koji izaziva povećanje temperature na površini oboda točka može biti posledica intenzivnog habanja koje zasigurno vodi ka otkazu komponente i sistema, ali i rezultat nepodešenosti sistema, odnosno nepravilnog održavanja. Ovakva ispitivanja se najčešće izvode u laboratorijskim uslovima, u kombinaciji sa vibrodijagnostikom. Međutim, mogu se primeniti i u realnim uslovima, za “on line” analizu. Za to je potrebno iskoristiti prenosnu IC kameru i namontirati je neposredno pored točkova, ispod karoserije vagona. Na taj način se obezbeđuje najpreciznija identifikacija otkaza koji se javlja u funkcionisanju kočionog sistema.

Slika 5. Stanje kočionog sistema točkova vagona

Na slici 5 prikazan je dijagram stanja kočionog sistema u funkciji vremena.

4.2. Ispitivanje električnih i elektronskih sistema

Ispitivanje električnih i elektronskih komponenti železničkih sistema primenom IC termografije koristi se za:

• identifikaciju električnih komponenti na visokim i niskim temperaturama,

• identifikaciju slabih kontakata između komponenti električnog sistema,

• ispitivanje visokonaponskih komponenti i sistema za napajanje vozova.

Identifikacija komponenti na visokim i niskim temperaturama. Porast temperature je po pravilu signal da je određena komponenta preopterećena ili ima probleme u funkcionisanju. U oba slučaja postoji velika verovatnoća nastanka potpunog i iznenadnog otkaza, pa je identifikacija ovakvih komponenti od suštinskog značaja. Identifikacija komponenti sa niskim (ambijentalnim) temperaturama omogućava identifikaciju komponenti koje su iz nekog razloga (npr. pregorevanje osigurača) izvan funkcije. Ovo može biti veoma korisno kada je neophodno brzo i bez isključivanja utvrditi koje je strujno kolo u prekidu.

Identifikacija slabih kontakata između komponenti sistema. Povezivanje komponenti električnih i elektronskih sistema obezbeđuje se na različite načine, pri čemu je zajednička karakteristika da su svi kontakti vremenom podložni degradaciji i slabljenju. Iz različitih razloga dolazi do smanjenja kontaktne površine ili do stvaranja oksidnih prevlaka koje imaju veliku otpornost. Ovo dovodi do povećanja temperature koje se izuzetno dobro može dijagnostifikovati korišćenjem IC termografije.

Ispitivanje visokonaponskih komponenti i sistema za napajanje vozova. Sve prednosti beskontaktnog merenja temperature najviše dolaze do izražaja kod primene IC termografije za ispitivanje visokonaponskih komponenti i napajanja električnom energijom lokomotive.

Slika 6. Ispitivanje visokonaponskog voda i trole

XIV NAUČNO-STRUČNA KONFERENCIJA O ŽELEZNICI Niš, 7. i 8. oktobar 2010.

200

Pored toga što je pristup ovakvim sistemima uvek strogo kontrolisan i redukovan, radi se o sistemima koji rade u kontinuitetu veoma dug vremenski period, i kod kojih je svako isključivanje radi sprovođenja inspekcijskih procedura nepoželjno i praktikuje se samo u krajnjoj nuždi.

Upravo zato je IC termografija osnovni dijagnostički metod za ispitivanje visokonaponskih transformatora i trafostanica, dalekovoda, razvodnih polja, izolatora itd, sa značajnom primenom u distribuciji električne energije vozovima (slika 6).

4.3. Ispitivanje građevinskih objekta i železničke infrastrukture

IC termografija ima široku primenu i u građevinarstvu, gde se pre svega koristi za ispitivanje efikasnosti termičke izolovanosti objekata (železničkih stanica), ispitivanju pruga (šina, pragova, pružnih prelaza), mostova, tunela itd.

Slika 7. Termovizijska slika tunela

Na slici 7 prikazana je termovizijska slika tunela. Sa slike jasno mogu da se uoče temperaturne razlike koje su uslovljene vlagom i kodenzacijom. Termografska ispitivanja za ovakve građevinske objekte danas u svetu predstavljaju deo uobičajene procedure u sklopu tehničkog prijema novih ili rekonstrukcije starih objekata.

5. ZAKLJUČAK

Razvoj sofisticiranih i po ceni dostupnih IC kamera doveo je do toga da ova metoda, uz vibrodijagnostiku, postane osnovna aktivnost dijagnostifikovanja železničkih sistema. Ova metoda otkriva čitav niz različitih potencijalnih otkaza na veoma različitim tehničkim sistemima. Iznenadni otkazi izazivaju velike troškove, pa su uštede koje nastaju primenom ove metode izuzetno velike.

Metoda IC termografije je našla široku primenu u dijagnostici kako mehaničkih, tako i električnih komponenata železničkih sistema, a pokazala se pogodnom i za ispitivanje građevinske železničke infrastrukture.

LITERATURA

[1] Blecich, P.: “Primjena Termovizijske Infracrvene Kamere u Termotehnici”, Tehnički fakultet, Rijeka, 2008.

[2] Clark M, McCam D.M., Forde M.C.: ”Infrared thermographic investigation of railway track ballast”, NDT&E International 35, (2002) 83-94

[3] Panier, S., Dufrénoy, P., Weichert, D.: “An experimental investigation of hot spots in railway disc brakes”, ScienceDirect, Wear 256 (2004) 764–773

[4] Jeremić B., Todorović P., Mačužić I., Koković V., “Tehnička dijagnostika”, Mašinski fakultet Kragujevac, Srbija 2006.

[5] Švaić, S., Boras, I.: “Infracrvena termografija”, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu, 2006.

[6] FLIR Systems:“Technical Specification“, 1558550, Rev. a174, pp 243-244, 2005

[7] Tomić Lj., Livada B.: "Detekcija defekata u materijalu primenom termovizije", XLIV ETRAN, Sokobanja, 26-29.06.2000.

APPLICATION POSSIBILITY OF IR THERMOGRAPHY IN DIAGNOSIS AND TESTING OF RAIL SYSTEMS

Ivan T. RANĐELOVIĆ Nenad T. PAVLOVIĆ

Abstract – This paper deals with application of IR thermography for diagnosis and testing of thermical properties of the railway systems. This method should enable early detection of anomalies and failures. The method of IR thermography uses the tools for analysis of radiation energy in the infrared area of the light spectrum. The deviations in predicted temperature distribution point to the possible anomalies of the system elements. IR termography is one of the relatively new visual contactless methods for diagnosis and testing, and therefore it is widely used in the maintenance of the railway systems, as well as other technical systems.

Key words – IR thermography, maintenance of railway systems, nondestructive testing, remote temperature measurement