客车隔热壁的热图分析.pdf

1 客 车 隔 热 壁 的 热 图 分 析 L 7 20，罗 铁 道 部 口 方 车 辆 研 究 所 机 电 s 椭 行 坚 垫分 析 铷 辨 t 垒 主 题 词客 车热 I 性 能 红 外 成 像 系 统 分 析 If r)一 l，、，n L 一 A b s t r a e(I n-h i s p a p e ri n p a s s e n g e r c a rme a s u r e d b y ku l i li z i n g he a t i m a g e f or mi n妇g t e c h n o l o g y i s a n a ly s e d 您，yL 静 1 概述 客车隔热壁的隔热性能一般均用热传递 系数，即 K值表示。该值的物理意义是隔热 壁内外有 1 K温差时，通过 隔热壁单位面积 所传递的热量，可用下式表示：K=W(Fa T)(1)式中：通过隔热壁传递热量的总功率，W；F 传递 总功率的隔热壁传热 面积，m 2；丁隔热壁内外的温差，K。隔热壁热传递示 意图见图 1。热量通过 隔热壁传递的过程可分为三段：第一段是温 度高的一侧的 空气和隔热壁表面之间的热传 递；第二段是由温度高一侧隔热壁表面通过 隔热壁向温度低一侧隔热壁表面传递I 第三 段是温度低一侧隔热壁表面和温度低一侧空 气之间的传递。其中，隔热壁两表面之间的热 传递过 程是 整个 隔热壁 隔热性 能的主要部 分。隔热壁性能的好坏，直接表现为隔热壁两 表面温 度的差 异(丁 一T )，这差 异愈接近 收穑 日期：1 9 9 7 一o 8 2 5 客车 隔热壁的热圈分析 裴祥林 隔热壁内外空气温度的差异(丁 一丁 )，说明 隔热壁的隔热性能愈好。换句话说，隔热壁表 面温度愈接近它附近的空气温度，即：T Tl 或 T2。则表 明隔热壁的隔热性能愈好。当然这是指 隔热壁两侧空气温度存在温差时，即：丁l 丁2 这一结论才成立。r，1 热流 一 r，1 图 1 隔热壁热传递示意 圈 综上所述，只要测得隔热壁 表面温度和 它附近空气温度的差别，就可 以得知该隔热 壁隔热性能的好坏。但要作这样的判定，就必 须测得隔热壁表面的温度场，而表面温度场 的测得，只有依靠隔热壁的热图，别无他法。客车隔热壁热图，是根据客车隔热壁表 面红外辐射能量形成的图像。这是本世纪中 期发展起来，并开始扩大应用的一种高科技，它的基础就是红外遥感技术。任何物体，只要其温度高于绝对温度，在 其表面就会有红外能量辐射出来，其全辐射 3 7 维普资讯 http:/ 功率 与物体表面温度的四次方成正 比。用数学式可表达如下：W b e a T (2)式中：e 光谱 辐射率，等于物体光谱辐射 功率与黑体光谱辐射功率的比 值，其值在 O 1之 间，与辐射波 长、物体表面温度、物体表面状态 等因素有关；斯蒂芬一 波尔兹曼常数，一5 6 7X1 0 W(m K)；了 物体表面绝对温度，K。因此，物体某点的表面温度就可以用该 点的红外辐射能量来表示。那么，该物体表面 温度场就可以用组成该表面的点的红外辐射 能量的组合来表示。这个表面红外辐射能量 的组合就是这一表面的红外热图，也就是该 表面的表面温度场 2 获得可用热圉的基本条件 这里可用热图的概念，是指为了便于对 客车隔热壁的隔热性能进行分析，在某些条 件下所获得的热图。这些基本条件为：(1)被测客车表面必须保持干燥，没有严 重的污垢和油泥。(2)客车停放地点的空气温度，在测试期 间不应有剧烈的变动。并有遮风挡雨的设备，使被试客车不受风雨的影响。(3)在客车内外造成 2 O左右的温差，并保持 2 h以上，等隔热壁 中因热传递形成 的温度梯度建立起来后，才可进行热图测试。(4)在进行热图测试时，尽量不要使照明 光线直射被测客车表面，以免对热图形成千 扰。3 客车隔热壁热圉的基本分析 在获得客车隔热壁的热 图以后，根据辐 射能量和温度 的关系，转换成 隔热壁的表面 温度场。从该温度场所获得的信息，首先可以 得到隔热壁结构的基本情况。下面以一辆准 3 2 高速客车为例分析说明。3 1 从 热圜看客车隔热壁结构因素 从热图可以获得客车隔热壁内部设计的 结构情 况，并可得知各种结构 因素对隔热壁 隔热性能的影响程度。图 2所示 为该客车 车顶 的表面温度场(见封三)。该热图是在车内温度高于车外温 度的情况下测得 的，车外空气温度为 1 2，车内空气温度为 3 7。本文所举热图均 为在 该条件下测得。由图上看到 的黄绿色格条就 是该车的车顶弯粱和小纵梁。被梁包围的蓝 绿色区域是内装隔热料的区域。由图右边的 温度色标可知，有梁区的表面温度要比正常 隔热料 区的表面温度高出 1 7 0 左右，有梁 区的漏热要 比隔热料区大得多，所以，从设计 上处理好梁区的隔热也是很重要的。图3 所示是该客车车端车顶水箱盖板的 热图(见封三)，攘个盖板表面温度都较高，说 明该处由于隔热处理不好，造成大面积的强 烈漏热，使该客车的糇车隔热性能下降。这种 情况在设计中应予避免3 2 从 热圜看客车隔热壁的缺陷因素 从热图上不但可以获得车辆结构 因素，还可以获得对隔热壁 隔热性能的影响程度，从而为改进设计提供了事实根据。而且，可以 方便地查出隔热壁中的工艺缺陷，这为制造 厂改进制造工艺提供了依据。在 图 2所示车顶热 图中，弯梁和小纵梁 及 弯梁和上 边梁的结点处出现红黄色 的斑 块，该处表面温度异常升高，说明此处工艺处 理不当，应予改进。还有中央两块隔热料区，在蓝色 背景上 明显出现黄绿色斑块，表面温 度 升高，说 明该处 隔热 料安 装有问题，需改 进。图 4是一车窗下沿温度场(见封三)，图 上部的红色长条是 车窗玻璃 的一部分，围着 它的红黄白色条是铝窗框。在图右 边相当于 车窗中心位置，窗下沿有一下拉彩条，说明此 处的隔热壁存在一处漏热缺陷，隔热没有处 铁道车辆第 3 5 卷 第 l O期 l 9 9 7 年 1 0月 1 一1 _ -一 r 维普资讯 http:/ 理好。4 依照客车隔热壁热圈来评价该隔热壁的 性能 上述表 明依照客车隔热壁表面热 图，可 以检查发现隔热壁结构因素和隔热壁缺路因 素，以及这些因素对隔热性能的影响程度。能 否利用表面热图对隔热壁的隔热性能作出定 量评价，回答是肯定的。但确定一个定量的方 法，就较为复杂。下面试图以表面热图转换成 温度场后，按所测区域各温度区所占面积比 例，来对所测区域的隔热性能作出评价。从物 理意义上讲，隔热壁表面温度愈是与附近空 气温度接近，该处的漏热量愈小，隔热性能愈 好；反之，表面温度与空气温度相差愈大，该 处的漏热量就愈大，隔热性能就愈差。具体计 算按下式进行：一 凡 一 (T 一 f F ()l 1 一 2 1)(3)式中：利用表 面热 图求得的表示被 测隔热壁区域隔热性能的无 因次系数。它表达了当隔热壁 两侧空气温度相差 1 时；隔 热壁一侧 的各表面温度和空 气温度之差值，其所 占面积在 整个 被测隔热 壁区域 面积上 所占的相对值之和；、隔热壁同一侧的空气温度 和表 面温度(或 t)，T(或 T )是 隔热 壁表 面某一等温区的中心温 度，；F，()中心温度 为 T (或 i )的等温区的面积占被测区 面积的百分数，用小数表 示 隔热壁另一侧的空气温度，。由图 4所示，从代号为 AR0 1区域 的等 客车隔热壁的热 圈分析裴祥林 温区分布统计直方图上，查得数据(见表 1)，_ 代入公式(3)，计算求得 A R o 1 区的 值 为：K R】=0 3 2 4 8 若把 图 4的测量 区分成两块分 别测量，像图 5 所示代号为A R 0 1 和 A R 0 2的两个测 量 区(见封三)，一个(AR0 1)不包括缺陷，另 一个(A R 0 2)包括车窗中间下部的缺陷。按公 式(3)计算，可分别求得这两测量区的 凰 值 为 Kx 2 0 3 0 2 0(AR0 1)R 3=0 3 4 1 0(AR0 2)上述三个数据，比较正确地反映了三块 隔热壁的整体隔热性能。墨t 值的大小反映了 该隔热壁的表面温度和空气温度差别的大 小，差别愈小，即 值愈小，隔热性能愈好。这三个数据的大小顺序为：R a 置R】2 而这三块测量区的情况的确如此，的区 域 中，面积较小，但包括一块缺陷；的区 域中，包括同样一块缺路，但其面积大得多，所以 值要 小；而 局 的 区域 虽面积小，但 没有缺陷，所以J 值最小。裹 1 热盟擞 据裹(下转第 5 3嚣)3 维普资讯 http:/ 于卫东铁道机车车辆1 9 9 7，(2)r 2 6-2 8 客车转 向架 悬挂零件探伤机单片机系统抗干扰设计 张洪宇铁道机车车辆l 9 9 7，(2)5 7 5 9 欧洲之 星高速 动车组的技术情况 劲光译电力牵 引快报1 9 9 t，(1)r l 5 2 2 日本铁路西 日本 客运公司 5 0 0系新干线动车组概况 易厚梅译电力牵引快报1 9 9 7 (1】r 3 6 4 0 以更高速度在既有线上运行的 X 2 0 0 0 列车的设计 黄志挥译电力牵引快报1 9 9 7 t(2)r 1 6 2 8 THAL YS高速列车 露根肚译电力牵 引快报l 9 9 7，(2)t 5 8 6 0 新型摆式内燃动车组的试验 林宏迪译国外内燃机车l 9 9 7，(5)1 6 2 2 I C E高速列车幕尼黑检修厂落成 吴云兴译国外机车车辆工艺1 9 9 7，(2)一 4 7 具有主动摇动技术的 6 1 型内燃动车组 林宏追译国外内燃机车 9 9 7，(6)一 1 3 1 8 世界上 2 5 0 k ml h以上高速铁路线路一览袭 苏明译国外内燃机车1 9 9 7，(6)一 封三 日本新干线一代高速车辆N3 0 0 系 吴继民译中国铁路1 9 9 7，(1)：4 9 3 0 0 X型新干线试验列车刨 4 4 3 k m h日本最高试验 速度记录 吴壤民译中国铁路1 9 9 7，(1)一 5 0 货车 单元式重载列车是基地煤炭外运的好遗径 武根良铁道运输与经济1 9 9 7，1 9(I)一 2 2 2 3 提速货车的运行安垒性分析殛评估 黄强等铁道机车车辆1 9 9 7，(2)7 1 1 货物列车制动限速问题 李春燕铁道机车车辆1 9 9 t，(2)r 2 9 3 2 6 0 f t 集装箱专用平车研制开发 王爱民机车车辆工艺l 9 9 7，(1)7 9 浅谈改进家畜车厂惨除铸工艺 匡介苏等机车车辆工艺1 9 9 7，(1)一 3 7 3 9 平车1 赠 槊焊接变形的预防和控制 吴至红铁道机车车辆工人1 9 9 7，(3)一 1 1 l 4 长大列车塑气制动作用的安垒性分析 马大埔中国铁路1 9 9 7，(2)一 3 0 3 3 2 5 t 轴重低动力作用货车转向架研制工作进展 贺启庸中国幔路1 9 9 7，(4)一 1 3 1 8 日本铁路高逮货车耐磨零件的开发 张孝仁译国外机车车辆工艺1 9 9 7，(2)一 4 3 4 7 铁路货车轴承干燥机干燥工艺过程分析 王小明华末交通大学学报1 9 9 7 1 4(1)：1 9 2 3 电子控制可改善货运列车制动 魏柏林译国外内蒜机车1 9 9 7 (4)：2 4 2 7 (上接第 3 3页)5 结束语 本文所论述的用表面热图的方法 检查 和评 价隔热壁 的隔热性 能，是有着特殊价值 的。它不但适用于 客车，同样适用于保温车。而且，对于隔热壁上漏气缝 隙的影响，也能正 确反映出来。尤其是对隔热壁局部隔热结构 的检查和评价，是别的方法无法解决的。在这 一点上，可以作这样的预计。(1)对于新型客车，用本文所述方法对其 隔热壁进行测试 就可以对其隔热壁结构优 化设计提供依据，并对隔热壁制造工艺 中的 薄弱环节有所了解，这对制定正确的工艺方 法是必须的。(2)对于车辆修理，用本文所述方法对其 隔热壁进行检查，可以了解隔热壁的状况，进 每 车文献题 录 行对症修理，可以节省大量修理费用 对于隔热壁的评价，本文提出了一个比 较简捷的方法，但所述测试热图的基本条件 还需规范I 对所求得的无因次系数，怎样与现 行的热传递系数换算，还需进一步做工作。6 参考文献 1 B e r 6 1 Pe t t e c s s o nt Be ng t n The r mo E r a p T e s t i n g o f t h e Th e r ms t|n s u a t J o n a n d Ai r t i g h t n c s s o f Bu i l d i n g s S t o c kh o l m,S we de n,S we dis h Co u nc L l f o r Bu L l d i n g Re s e a r c h，1 9 8 0 V s n z e t t i R著 张守一等译 红外技术的实际应用 北 京t 科学出版社，1 9 8 1 陈衡 红外物理学 北京t 国际工业出版社，1 9 8 5 张维力等 红外诊断技术 北京：水利电力出版社t 1 9 9 1 AGEMA I n f r a r e d S T s t e ms AB Th e r mov i s ion 9 0 0 S o f t -wa r e Re f e e n c e M a n St o c k h o l m，S we d e nt 1 99 3 本文所用照片由刘明慧、扬军毋助拍摄。r T1丁 5 3 维普资讯 http:/