Содержание к диссертации
Введение
I.. Состояние технической диагностики электрических передач локомотивов и задачи исследования
1.1. Анализ отечественного и зарубежного опыта в области диагностики электрических передач локомотивов II
1.2. Роль и место технической диагностики в решении проблемы повьшения надёжности электрических передач локомотивов 23
1.3. Особенности асинхронного тягового привода тепловоза как объекта диагнястирования 31
1.4. Выводы и задачи исследования 44
2. Анализ и разработка диагностических моделей подсистем асинхронного тягового привода тепловоза... 47
2.1. Анализ методов построения диагностических моделей электромеханических систем 47
2.2. Разработка логической модели автономного инвертора 56
2.3. Разработка граф-модели асинхронного тягового двигателя тепловоза 68
2.4. Выводы 80
3. Анализ и разработка формализованных процедур выбора диагностических параметров подсистем асинхронного тягового привода тепловоза 83
3.1. Анализ методов выбора диагностических параметров 83
3.2. Разработка и реализация алгоритма выбора диагностических параметров автономного инвертора, представленного в виде логической модели 88
3.3. Разработка и реализация алгоритма выбора диагностических параметров асинхронного тягового двигателя, представленного в виде граф-модели 94
3.4. Выводы 105
Разработка средств технического диагностирования автономного инвертора напряжения 107
4.1. Анализ методов диагностирования тиристорных преобразователей 07
4.2. Разработка измерительных преобразователей диагностических параметров
4.3. Разработка встроенного средства функционального диагностирования 129
4.4. Разработка внешнего средства тестового диагностирования 35
4.5. Выводы 142
Экспериментальные исследования и оценка технико-экономической эффективности разработанных средств диагностирования 144
5.1. Методика проведения экспериментальных исследований на натурном стенде 144
5.2. Результаты испытаний и внедрения разработанных средств диагностирования 149
5.3. Оценка технико-экономической эффективности разработанных средств диагностирования 151
5.4. Выводы 158
Заключение 160
Список литературы
- Роль и место технической диагностики в решении проблемы повьшения надёжности электрических передач локомотивов
- Разработка и реализация алгоритма выбора диагностических параметров автономного инвертора, представленного в виде логической модели
- Разработка измерительных преобразователей диагностических параметров
- Результаты испытаний и внедрения разработанных средств диагностирования
Роль и место технической диагностики в решении проблемы повьшения надёжности электрических передач локомотивов
Наша промьшленность выпускает такие информационные измерительные системы, как К200 и К734. Уровни выходных сигналов ИИС соответствуют уровням интегральных схем серии KI55. При использовании ИИС работа по созданию СТД в основном сводится к разработке и созданию датчиков первичной информации,преобразовательных узлов и устройств управления.
В качестве устройства управления в настоящее время целесообразно использовать микро-ЭВМ, например: "Электроника-60". В качестве периферийного оборудования могут быть использованы устройство ввода-вывода (пишущая машинка) "Консул 260", устройство ввода с перфоленты FS- I50I , устройство вывода на перфоленту Ш1-150. Микро-ЭВМ может осуществлять управление процессом диагностирования, производя сравнение значений диагностических параметров с допускаемыми, заранее в неё введенными.
Примером создания специализированных средств диагностирования на базе устройства АСЭТ может служить разработанная ОмИИТом совместно с депо Котовск Одесской ж.д. многоканальная информационно-измерительная система (ИИС) "Иртьш", реализующая операции контроля качества функционирования ДГУ тепловозов. Регулярное использование этой системы в течение 1980-81 гг. позволило ежемесячно экономить по 20 тонн топлива на эксплуатацию каждого прошедшего настройку тепловоза и сократить количество внецикловых неисправностей в пять раз Ll07].
Другим примером аналогичного использования АСЭТ при созда-( нии специализированных СТД служит разработанный в депо Туапсе Северо-Кавказской железной дороги стенд диагностики электрооборудования электровозов ВЛ8. Внедрение системы диагностики рекуперативной схемы дало экономический эффект около 5 тыс.руб._78].
Все более широкое применение при ТО и Р локомотивов находят диагностические устройства. Например, разработанный и выпол ненный в лаборатории ЭПС ВНИИЖТа переносной диагностический прибор, названный тестером (ТАУ-1) для аппаратуры управления электровоза ВЛ80Р, позволяет проводить проверку работоспособности и количественный контроль всех функций БУВШІ. Применение этого прибора даёт возможность упростить и ускорить проверку аппаратуры, причем контроль с его помощью можно проводить из кабины машиниста.
Переходя к рассмотрению встроенных (бортовых СТД), необходимо отметить их высокую эффективность и функциональную значимость при поиске машинистом явных отказов в пути следования, а также их влияние на сокращение трудоемкости предрейсовых проверок состояния локомотивов, выполняемых слесарями пунктов технического осмотра и локомотивными бригадами. При высокой степени автоматизации встроенные СТД выполняют также функции защиты и управления. С помощью встроенных СТД может осуществляться диагностирование и запись на магнитную ленту значений контролируемых параметров тех объектов, информацию о состоянии которых можно получить лишь в рабочем режиме.
К настоящему времени учеными ВНИИЖТа, МИИГа, ВЗИИТа, ЛИИЖТа, ОмИИТа, ХИИТа, ТашИИТа, РИЖГа разработаны образцы различных локальных устройств диагностирования локомотивов. Однако они применяются в единичных экземплярах и не оказывают существенного влияния на показатели качества ремонта и технического обслуживания локомотивов в масштабе сети дорог.
Следует отметить некоторые наиболее удачные решения при создании локальных СТД . К ним относится смонтированное в отдельном шкафу на электровозах ЧС2Т и ЧС4Т встроенное СТД "ПУМ-ШКОДА" [93] .
На Юго-Западной железной дороге совместно с ВНИИЖТом разработан и испытывается в депо Киев-Пассажирский опытный обра зец встроенного СТД, которое может в течение 6-8 часов осуществлять запись на магнитную ленту большого количества параметров, характеризующих техническое состояние и работу систем электро -воза ЧС4, а также данных о режиме и скорости его движения. Отличительная особенность данного СТД состоит в том, что записанная на магнитную ленту диагностическая информация непосредственно вводится в ЕС ЭВМ. Такая система намного облегчает процесс накопления и обработки информации о состоянии локомотива, а также даёт возможность прогнозировать состояние его основных узлов и агрегатов.
Известен опыт применения на дизель-поездах ДР-Ш в депо Засулаукс Прибалтийской дороги первой отечественной машины централизованного контроля и управления (МЦКУ) "Дельта" [во]. Эта машина, бесспорно, сыграла положительную роль в развитии теории и практики диагностики локомотивов.
Большой объем и разнообразие функций контроля и управления локомотивов определили необходимость создания установок, объединяющих в себе функции централизованного контроля и управления и базирующихся на использовании машинного управления. Организациями Минприбора по заказу Минтяжмаша разработана и проходит проверку установка централизованного контроля и управления для тепловозов (УЦКУТ), в которой задача оперативного контроля функционирования решается с помощью бортовой мини-ЭВМ, имеющей выходы на исполнительные устройства управления, защиты и сигнализации [47j .
Разработка и реализация алгоритма выбора диагностических параметров автономного инвертора, представленного в виде логической модели
Задачи диагностирования сложных технических систем обычно решаются на основе анализа множества состояний, в которых могут находиться эти системы в период эксплуатации. Анализ множества таких состояний может быть выполнен как теоретически в период разработки нового объекта, так и экспериментально в период эксплуатации объекта. Однако, как правило, провести натурный эксперимент бывает очень трудно или просто технически невозможно, в результате чего приходится прибегать к специальным методам, основанным на формальном описании объекта с учетом его поведения в исправном и неисправных состояниях. Такое формальное описание (в аналитической, табличной, векторной, графической или другой форме) принято называть математической моделью объекта диагностирования (ОД) [_77j. При этом эта модель должна быть проще объекта диагностирования во всех аспектах,за исключением тех, которые определяют выполнение выбранного отношения эквивалентности. Далее в выражении "математическая модель" первое слово может быть опущено.
Выбор способа формального описания объекта во многом обусловливает методику дальнейшего исследования. Необходимость и целесообразность перехода к формальному описанию объекта заключается в том, что абстрактное мышление отражает свойства, стороны и отношения составных частей исследуемого объекта, которые могут быть познаны только опосредствованно (посредством понятий, категорий, законов).
Таким образом, построение и анализ модели любого техничес 48 кого объекта является неотъемлемой частью процесса создания системы диагностирования.
В настоящее время существует большое разнообразие видов моделей L45,66,77J, а следовательно, и методов их анализа. Отсутствие универсальной методики анализа, пригодной для всех видов моделей, обусловлено рядом причин : различием способов воспроизведения (модели предметные или мысленные); различием формального описания (модели аналитические или структурные); различием характера физических величин, отражающих процессы, протекающие в ОД (ОД непрерывные или дискретные); различием характера структуры ОД (объекты с явно выраженной блочной структурой или объекты, характеризующиеся тесной функциональной связью параметров и отсутствием блочной структуры) ; различием назначения моделей и задач диагностирования (проверка работоспособности или поиска дефектов).
Несмотря на разнообразие видов моделей, их построение и анализ подчиняются общим закономерностям. Построение математических моделей в общем случае связано с выделением существенных для поставленной задачи основных особенностей физических процессов, протекающих в объекте, и составлением формализованных описаний в какой-либо одной из вьшеуказанных форм.
Зачастую при построении диагностической модели исследуемых объектов оказывается, что в зависимости от задачи диагностирования (контроль работоспособности, поиск дефекта) требуются различные модели, а для сложного многофункционального объекта -одновременно несколько моделей.
Модели должны отвечать следующим основным требованиям : быть обобщенными и приспособленными для решения задач диагностики применительно к широкому классу ОД; описывать с требуемой точностью объекты диагностирования и их характерные неисправности; обладать возможностью охвата большого числа состояний ОД для реализации процедур поиска дефектов при любой необходимой глубине диагноза; быть удобными для реализации на ЭВМ. При анализе ОД устанавливаются его реакции на появление возможных дефектов, формируется исходная информация об объекте, необходимая для проведения операций диагностирования на стадии эксплуатации. При этом в модели обычно учитываются не все возможные дефекты, а только наиболее характерные, так как для объектов даже небольшой сложности число возможных дефектов и их комбинаций очень велико. С увеличением числа охватываемых возможных дефектов резко возрастает размерность модели. Желание же учесть в модели все возможные дефекты чаще всего приводит к отрицательному эффекту.
Все математические модели объектов диагностирования разбиваются на два больших класса в соответствии с разбиением объектов на классы непрерывных и дискретных. Объекты, все координаты которых в процессе работы могут изменяться во времени непрерывно, принимая бесчисленное множество значений, относятся к классу непрерывных ОД. Объекты, значения всех координат которых задаются на конечных множествах в дискретные моменты времени, относятся к классу дискретных ОД.
Основным отличием дискретных ОД от непрерывных является зависимость связи входа и выхода не только от состояния, но и положения отдельных элементов, что накладывает определенное ограничение на выбор методов их анализа. Методы анализа в зависимости от вида моделей можно разделить на аналитические, имеющие дело с моделями аналитического типа, и структурные, имеющие дело с моделями, заданными в виде структуры объекта.
В случае применения аналитических методов анализа в качестве моделей используются либо системы дифференциальных уравне -НИИ, либо передаточные функции [5,11,25j. Задачи диагностирования решаются с использованием аппарата структурных чисел, методов теории чувствительности, матричного анализа, малого параметра, планирования эксперимента и статистической динамики.
При описании ОД в виде линейных дифференциальных уравнений _58j не всегда удается построить модель, так как для этого необходимо знать достаточно большое количество параметров ОД, которые на начальных этапах его проектирования не могут быть получены с достаточной точностью. Большую трудность с точки зрения анализа представляют модели в виде нелинейных дифференциальных уравнений. Пока ещё не разработаны универсальные методы анализа таких моделей [бб].
Как известно, дифференциальные уравнения, описывающие процессы, происходящие в асинхронном тяговом приводе, характеризуются высоким порядком и нелинейностью. Чаще всего асинхронный привод исследуется как система "автономный инвертор - двигатель", Существует три подхода к исследованию этой системы. Первый из них предусматривает разработку модели автономного инвертора, а асинхронный двигатель заменяется активно-индуктивной нагрузкой. Второй подход предусматривает разработку модели двигателя по уравнениям общей теории машин, а инвертор заменяется эквивалентньм источником ЭДС. И, наконец, третий из них предусматривает разработку модели как инвертора, так и двигателя. При этом следует отметить, что все аналитические методы исследования подобных систем, разработанные к настоящему времени, сводятся к прямому интегрированию дифференциальных уравнений системы или к применению степенных и гармоничных рядов. Эти методы обладают значительной трудоемкостью.
Разработка измерительных преобразователей диагностических параметров
На втором этапе путем подробного анализа построенной ДМ уточняется предварительно назначенный перечень параметров. Для этого устанавливается значимость всех параметров и в перечень параметров, подлежащих контролю, включаются только наиболее значимые из них. Ограничение числа контролируемых параметров, обычно осуществляемое с целью уменьшения затрат на диагностирование, должно производиться без существенного снижения достоверности оценки технического состояния. Как известно, достоверность диагностирования есть функция числа диагностических параметров. Причем всякое увеличение числа диагностических параметров приводит к повышению достоверности, которая асимптотически стремится к единице. Для достижения достаточно больших значений достоверности необходимо контролировать большое количество параметров, что в свою очередь приводит к слишком большим материальным и временным затратам. В связи с этим задача выбора диагностических параметров требует компромиссного решения.
На третьем этапе производится дальнейшая корректировка перечня диагностических параметров с учетом точности и возможности реализации процесса измерения. При этом необходимо учитывать особенности конструкции ОД и технические средства, которые будут использоваться в процессе диагностирования.
Основньм требованием к совокупности диагностических параметров все же остается обеспечение требуемой достоверности диагностирования. Такая сложная зависимость состава диагностических параметров от разнообразных факторов определяет значительную трудоемкость решения задачи установления оптимальной выборки ДП формализованными методами.
Процедура выбора параметров в настоящее время еще полностью математически не формализована, т.е. нет определенного формального алгоритма, обеспечивающего получение оптимального перечня параметров, удовлетворяющих приведенным выше требованиям [З3J. ЭТО объясняется, в основном, достаточно большой сложностью самой задачи, глубоко затрагивающей экономическую оценку затрат и прибыли от применения средств диагностирования,
Методы выбора минимальной совокупности диагностических параметров достаточно полно раскрыты в работах [5,11,I2,23,42, 50,56,67,84,91,100,104J и методике [61]. Все известные методы выбора диагностических параметров можно разбить на несколько групп в зависимости от используемого в них критерия значимости параметров. В качестве критерия в методах используются: - обеспечение заданной надёжности ОД ; - обеспечение полноты контроля ; - обеспечение минимума затрат. Основные методы выбора ДП можно охарактеризовать следующим образом .
В работе [12J изложен способ выбора диагностических параметров, основанный на анализе функций передач по их чувствительности к изменению операторов ветвей системы. Он позволяет выбрать узлы (параметры) построенной диаграммы прохождения сигналов, функции передачи которых обладают наибольшей чувствительностью к неисправностям, возникающим в контролируемой системе. Деформация тест-сигнала, оцениваемая комплексными коэффициентами передачи от выбранного входа к выбранному выходу, по 86
зволяет обнаружить неисправность электрической схемы. В работе приводятся дополнительные методы оценки деформации тест-сигнала с использованием матричного анализа и аппарата структурных чисел. Наряду с известной эффективностью этого способа, он не может рассматриваться как универсальный, т.к. используется при определении параметров для обнаружения неисправностей лишь в отдельных узлах и элементах электрических систем L5J.
В работе [25j показано, что задачи технической диагностики сложных систем автоматического управления могут быть успешно решены на основе анализа структуры системы с учетом характеристик надёжности.
В работе [l04j выбор оптимального перечня контролируемых параметров производится с учетом апостериорной вероятности работоспособности объекта контроля и стоимости контроля.
В работе [98j выбор контролируемых параметров основывается на информационной оценке процесса контроля. Формирование совокупности контролируемых параметров осуществляется последовательным выбором наиболее информативных параметров, т.е. параметров, в наибольшей степени уменьшающих остаточную неопределенность на каждом шаге выбора. При этом процесс выбора продолжается до тех пор, пока остаточная энтропия не станет равной нулю.
В работе [43j рассматривается выбор параметров путем анализа потерь, связанных с отсутствием контроля того или иного параметра. При этом отыскивается минимальный набор диагностических параметров, контроль которых обеспечивает заданную вероятность работоспособности системы.
Однако перечисленные методы требуют предварительного накопления большого объема статистической информации для вычисления вероятностей безотказной работы подсистем объекта контроля по каждому из параметров при условии, что эти подсистемы работо 87 способны по всем остальным параметрам. Учитывая, что полученные диагностические модели исследуемых подсистем АТП представлены в виде логических моделей, следует уделить особое внимание методам выбора диагностических парамiтров, основанньм на анализе моделей такого типа.
В работах L42, ЮО] рассматриваются методы определения минимальной совокупности диагностических параметров для контроля работоспособности нецрерывных объектов. В основу этих методов положено понятие таблицы функций неисправностей. Дальнейшим развитием этих методов явились работы L23,84j.
В том случае, если логическая модель ОД представлена в виде ориентированного графа, выбор минимальной совокупности наиболее информативных параметров производится путем нахождения внешне устойчивого подмножества (ВУШ вершин графа [74]. Для нахождения ВУП граф-модели существует несколько алгоритмов. Алгоритм К.Бержа \У\ предусматривает графические построения, в связи с чем применим только для ручной обработки небольших граф-моделей. Логический алгоритм [74J дает возможность находить все семества ВУП на ЭЦВМ без графических построений, однако, несмотря на применение ЭЦВМ, из-за большой трудоемкости он применим только для небольших (20-25 вершин) граф-моделей. Алгоритм голосования [7б], основанный на применении алгебраического алгоритма [74], устанавливает единственный (или почти единственный) порядок вершин в матрице смежности и позволяет определить минимальное ВУП (МВУП).
Результаты испытаний и внедрения разработанных средств диагностирования
Низковольтная часть устройства представляет собой опто-электронную переключающую схему, содержащую усилитель У, к входу которого подключен фотодиод оптрона V3 и пороговые элементы ПЭ1, ПЭ2 и ПЭЗ.
Устройство работает следующим, образом. При включении источника питания устройства и отсутствии входного напряжения АИН на выходе усилителя У появится потенциал "логической I", а на выходе порогового элемента ПЭ1 - потенциал "логического О", в результате чего на выходе логического элемента и устройства в целом будет сохраняться потенциал "логического О".
В момент подачи минимального рабочего напряжения (50 В) на вход АИН на закрытом контролируемом тиристоре VI появится напряжение, а по цепи, содержащей открытые фототиристоры оптронов V4- и V5 , балластный резистор и светодиод оптрона потечет электрический ток прямо пропорциональный величине этого напряжения. При этом в оптроне KJ появится фототек, обратное сопротивление его фотодиода уменьшится, что приведет к смене на выходе усилителя У сигнала "логической I" на сигнал "логического О". Величина сопротивления балластного резистора R1 выбирается из условия обеспечения протекания фототока в.оптроне V5 при напряжении на тиристоре V1 , соответствующем минимальному значению напряжения звена постоянного тока АИН. При включении (отпирании) контролируемого тиристора И/ напряжение на нем, а следовательно, и на входе устройства уменьшится до величины прямого падения напряжения на тиристоре К/ , ток в цепи свето-диода оптрона l/J резко уменьшится, фототиристоры оптронов V4-и У5 закроются, прерывая фототек через оптрон V3 . При этом фотодиод оптрона KJ восстановит свои запирающие свойства и на выходе усилителя У появится потенциал "логической I". Этот сигнал будет проходить на выгод устройства лишь в том случае,если напряжение на входе АИН достигнет величины 75 В. Блокирование выходного сигнала устройства осуществляется с помощью порогового элемента ПЭ1, порог срабатывания которого равен 75 В. Наличие таким образом зоны нечувствительности устройства в пределах 0... 75 В не снижает достоверности получаемой информации так как данное устройство используется в АИН, у которого напряжение на главных тиристорах имеет прямоугольную или ступенчатую форму, причем минимальное значение этого напряжения вьше указанного порога.
По мере увеличения входного напряжения АИН поочередно будут срабатывать пороговые элементы ПЭ2 и ПЭЗ, соответственно погаснут светодиоды оптронов V4- и V5 , ччт в всвю очередд ьпривдее к ступенчатому увеличению величины входного сопротивления устройства за счет ввода в измерительную цепь резисторов Я2 и R5 . Номиналы резисторов R2. и R3 выбираются из такого расчета, чтобы при их введении в измерительную цепь протекающий по ней электрический ток не был меньше минимально допустимой величины, определяемой током удержания 1Н фототиристоров оптронов V2 и V3 ,
Величины напряжений, соответствующие порогам срабатывания ПЭ1 и ПЭ2, выбираются исходя из обеспечения минимальной потребляемой устройством мощности и равенства ее максимальных значений независимо от того, в какой зоне напряжения это устройство работает. Характеристика пороговых элементов имеет гистерезис для исключения "звонковой" работы, причиной которой является пульсация входного напряжения АИН. Величина гистерезиса Ш.( пороговых элементов выбрана в зависимости от коэффициента пульсации входного напряжения АИН в различных режимах его работы.
Переходя к описанию устройства контроля исправности последовательно соединенных тиристоров, следует отметить, что к настоящему времени уже разработано и известно немало подобных устройств, однако все они предназначены для использования в преоб 125 разователях, напряжение питания которых изменяется лишь в небольших пределах. Ограничение на применение известных устройств в АИН связано с тем, что изменение в несколько раз величины питающего напряжения тиристорного преобразователя может привести к выдаче ложной информации о состоянии контролируемых тиристоров. Причина ложного срабатывания или потери чувствительности устройства заключается в существующей зависимости уровня сигнала, поступающего на вход чувствительного элемента, от величины питающего напряжения преобразователя.
Наиболее близким к разработанному устройству по технической сущности является устройство для контроля исправности последовательно соединенных вентилей преобразователя, шунтированных RC -цепочками, содержащее чувствительный элемент, предназначенный для включения в диагональ измерительного моста, образованного элементами преобразователя, связанный с индикатором повреждения [_П9_1 При выходе из строя некоторого числа контролируемых вентилей (кроме первого) на выходе фазового демодулятора появляется напряжение, характеризующее состояние контролируемых вентилей. Постоянная составляющая этого напряжения пропорциональна величине фазового сдвига суммарного вектора напряжений, поступающих из полосовых фильтров. При этом для сравнения фазы в качестве опорного сигнала используется ток вспомогательного делителя напряжения.
