Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния подвижного состава железнодорожного транспорта и его влияния на эффективность перевозок 9
1.1. Анализ подвижных единиц железнодорожного транспорта 12
1.1.1. Грузовые вагоны 14
1.1.2. Пассажирские вагоны 16
1.1.3. Электровозы 19
1.1.4. Тепловозы 23
1.2. Основные факторы, влияющие на эффективность перевозок 29
1.3. Обобщенная модель транспортного потока 36
1.4. Статистический анализ отказов оборудования 42
2. Обоснование и анализ технической диагностики подвижного состава 57
2.1. Термины и определения технической диагностики 57
2.2. Критерии выбора диагностического комплекса 62
2.3. Эффективность диагностирования 64
2.4. Критерии оценки алгоритмов диагностирования 71
2.5. Алгоритмы и качество технического диагностирования 87
2.6. Алгоритмы технического диагностирования железнодорожного транспорта 113
3. Моделирование надежности подвижного состава 124
3.1. Моделирование надежности с использованием теории графов 126
3.1.1. Диаграммы надежности подвижного состава 131
3.2. Вероятностные модели надежности подвижного состава 135
4. Комплексная система управления надежностью железнодорожной техники .. 163
5. Практические приложения комплексной системы управления 200
5.1. Бортовые системы контроля и диагностирования тепловозов 201
5.2. Системы периодического контроля на примере комплекса вибродиагностики «Прогноз» 220
5.3. Стационарные системы контроля и диагностирования на примере комплекса «Кипарис» 253
5.4. Комплексная трехуровневая система контроля технического состояния подвижного состава 281
Заключение 305
Приложение 307
Список литературы 325
- Основные факторы, влияющие на эффективность перевозок
- Алгоритмы технического диагностирования железнодорожного транспорта
- Вероятностные модели надежности подвижного состава
- Системы периодического контроля на примере комплекса вибродиагностики «Прогноз»
Основные факторы, влияющие на эффективность перевозок
Предприятия железнодорожного транспорта испытывают трудности с контрольно-измерительным оборудованием и диагностическими системами. Рынок контрольных и диагностических средств не насыщен, поэтому строить политику технического оснащения приходится в условиях ограниченных средств на модернизацию. Постановку задачи контроля и диагностирования подвижного состава можно формулировать с разными критериями оценивания. Стоимостный критерий. При эксплуатации неисправного подвижного состава предприятия транспорта несут убытки. К ним можно отнести: - убытки из-за срыва графиков перевозок вследствие неисправностей, выявившихся в пути следования и связанных с этим штрафных санкций; - стоимость заменяемых устройств (как правило, не обнаруженные вовремя неисправности ведут к серьезным отказам оборудования); - затраты на доставку отказавшего транспортного средства к месту ремонта. Обозначим перечисленные расходы через Q/ (стоимость неисправности). Величина Cj] носит случайный характер, зависящий от множества внешних факторов (вид отказа, интенсивность движения, расстояние от места ремонта, его сложность и т.д.). К стоимостным критериям можно отнести положительный эффект, проявляющийся из-за применения средств контроля и диагностирования и выражающийся в сокращении времени ремонта (следовательно, стоимости) АС . Эффективность средств контроля и диагностирования зависит от их качества. Достоверность обнаружения неисправностей с помощью средств контроля и диагностирования должна быть близкой к 100%, а их долговечность должна превышать живучесть транспортных средств где Рон - вероятность обнаружения неисправности; Тд — время исправной работы диагностического средства; Тр — межремонтный интервал. В качестве основного стоимостного критерия будем считать, что средства контроля и диагностики эффективны, если дополнительный эффект от их внедрения Сд превышает их стоимость Функциональный критерий. Основное назначение железнодорожного транспорта - вовремя и без потерь перевозить грузы и пассажиров. Главная задача — обеспечение безопасности, поэтому все другие критерии имеют второстепенное значение. Высшие приоритеты имеет обеспечение надежности тех узлов и деталей, которые напрямую влияют на безопасность движения. Все вышеприведенные оценки должны рассматриваться с этой точки зрения. Если какая-нибудь технологическая процедура снижает безопасность движения, то она не рассматривается. В этой связи на диаграмме неисправностей особо отмечаются вершины и соответствующие маршруты, вплоть до того, что строится отдельный подграф. Политика технического оснащения депо средствами контроля и диагностики должна строиться так, чтобы в первую очередь вводились средства контроля и диагностики на эти узлы. Это как минимум колесные пары, буксовые узлы, автосцепки, тормозное оборудование. Обратимся к выражению ре р рт ... ps. По нему можно находить приоритетные направления разработки систем диагностирования и контроля. Разработка технического средства контроля может считаться приоритетной, если она соответствует детали в левой части ряда. По диаграмме неисправностей можно формализовать задачу насыщения депо средствами контроля. Сформулируем эту задачу в виде двух аксиом. 1. Средство контроля, накрывающее вершину z, накрывает все связанные с ней вершины с большими номерами. Понятие накрытия вершины означает наличие технического средства, контролирующего этот узел в комплексе. 2. Комплекс средств диагностики считается функционально полным, если он охватывает все возможные маршруты диаграммы неисправностей. Аксиому 2 можно использовать в задаче оптимизации, которую можно описать в виде следующего алгоритма. 1. Предположим, средство диагностирования установлено в вершине х. Уда ляем из диаграммы неисправностей все маршруты, проходящие через вершину X . 2. На оставшемся графе выбираем новую вершину у для средства диагностирования. Повторяем п. 1. 3. Занятие вершин прекращается после того, как все возможные маршруты отображены. Полученная система приборов контроля может считаться функционально полной. Полученное решение может быть не оптимальным. Для оптимизации разрабатывается специальный алгоритм. Задачу функционального наполнения можно решать методом дополнения. Его сущность заключается в следующем. Есть набор диагностического оборудования. Накрываем им диаграмму неисправностей, заполняя соответствующие вершины. Удаляем из диаграммы связанные с ними маршруты. К оставшемуся подграфу применяем описанный выше алгоритм. Парк приборов контроля и диагностики может быть представлен совокупно стью устройств разного уровня, позволяющих решать комплекс различных задач. Условно их можно классифицировать по уровню сложности на несколько групп. Индикаторы (щупы, пробники, мерители и т.д.). Это, как правило, простейшие приборы, носимые обслуживающими бригадами. Они имеют простейшую логику типа «норма - не норма». При этом в случае «норма» диагностируемое оборудование дальше не проверяется; «не норма» - исследуется приборами более серьезного класса. Для этого оно может сниматься с подвижной единицы. Следует отметить, что в настоящее время существуют индикаторы в виде достаточно сложных электронных комплексов.
Средства самодиагностирования — устройства, встраиваемые в действующие агрегаты и оперативно сообщающие о состоянии контролируемого агрегата. Средства самодиагностирования наиболее целесообразны для активных единиц подвижного состава. К ним, в частности, можно отнести датчики температуры масла или давления в тормозной магистрали. Современные технические средства позволяют реализовывать достаточно сложные алгоритмы диагностики и самоконтроля.
Мобильные диагностические системы могут выполнять ряд функций, в том числе сложные комплексные алгоритмы диагностики. Современные системы часто реализуются на платформах персональных компьютеров и имеют модульное программное обеспечение, которое может адаптироваться под объект или решаемую задачу. Производительность и достоверность анализа здесь, как правило, высокие.
Испытательные стенды - это, как правило, стационарное оборудование, специализирующееся, чаще всего, на испытаниях одного типа устройств. В качестве примеров можно привести стенд для испытания топливной аппаратуры, реостатных испытаний, автотормозного оборудования.
Алгоритмы технического диагностирования железнодорожного транспорта
Предложенные алгоритмы и методики диагностирования могут быть применены к системе управления состоянием подвижного состава. В эти системы входят оперативные стационарные и технологические средства технического диагностирования. На стационарном уровне возможно диагностирование с различной глубиной и разной степенью сложности. Наиболее распространен активный эксперимент с искусственно заданными входными воздействиями. При этом возможны различные варианты рассмотренных алгоритмов. "Чаще используется укороченный неразветвленный диагностический эксперимент. Типы реализаций непосредственно связаны с видами ремонтов. Анализу подвергаются основные диагностические параметры деталей (узлов). Простейший вариант - прогон в номинальном режиме в заданное время. Контроль диагностических параметров заключается в проверке соответствия их паспортным (нормируемым) данным после входа ОД в стационарное состояние (прогрев). Возможен контроль параметров динамики состояния за определенное время испытаний. Так как полное испытание продолжительно, допустимы выборочные проверки [18]. Количество ОД, выбираемых из партии, рассчитывается по определенным методикам. Для определения количественной оценки качества укороченных диагностических экспериментов будем считать, что полная длина экспериментов состоит из N N этапов, общая продолжительность TN = 7} (7} - длительность /- го этапа). Уко /=/ роченный эксперимент - из К этапов (К N), а его продолжительность составляет К Тк = 2] 7}. При таких условиях могут применяться несколько видов оценок.
Риск эксперимента — вероятность ошибки диагностирования. Считая этапы испытаний независимыми (неразветвленный эксперимент), применяют байесовскую оценку где Рошэ полная ошибка эксперимента; Pt = (Г/Н), Pt = (Я/ Г) ошибки диагностирования I и II рода на / -м этапе проверки. оэффициент качества оценки - величина, обратная риску эксперимента где РдЭ = 1 - PQUJ2 достоверность диагностического эксперимента. Приведенный коэффициент является наиболее информативным при сравнении различных алгоритмов диагностирования. Ориентировочно отметим, что при ошибке в 10% коэффициент качества SK3 -10. Возможно и использование логарифмического масштаба: Sn = WlgS , дБ. При малых значениях вероятности Рош бо-лее целесообразно применение SK3. Коэффициент сжатия во времени - отношение полного времени эксперимента к его сокращенному варианту при заданной граничной ошибке Из (2.103) следует, что при K = N а -0; в остальных случаях коэффициент ct относительно небольшой и зависит от погрешности. Продолжительность эксперимента в определенной степени определяет затраты. Поэтому выражения (2.102) и (2.103) могут быть применены для расчета соответствующих затрат.
При том необходимо учесть, что затраты на проведение диагностических испытаний 3pj имеют две составляющие: прямые затраты на диагностирование Зп и стоимость простоя подвижного состава на время испытаний Зц Обе составляющие при увеличении продолжительности эксперимента t возрастают, из чего следует, что сокращение величины К - важная задача. Планирование разветвленного эксперимента проводится с использованием направленных графов. Обычно сложные системы, к которым относится подвижной состав, рассматриваются как композиция отдельных независимых составляющих. Можно, например, выделить движущую часть (колесные пары, тележки, буксовые узлы, амортизаторы, сочленения), механическую часть (корпуса, автосцепки, крепления, подвижные соединения), пневматическое, гидравлическое и электрическое оборудование. Каждая из этих составляющих имеет свои детали, что соответствует следующим уровням графа. В результате граф принимает вид, изображенный на рис. 2.19.
Вероятностные модели надежности подвижного состава
Как правило, после очередного Тр надежность повышается (вероятность p{t) снижается), но минимум не падает до нуля При этом, как правило, остаточная надежность после ремонта увеличивается то есть, транспорт после ремонта восстанавливается не полностью. Задача вероятностного анализа - отыскание оптимальных межремонтных интервалов Atp по критерию наименьших затрат. Поясним этот тезис. Увеличение межремонтного интервала повышает риск невосстанавливаемых неисправностей и увеличивает долю внеплановых ремонтов и остановок поездов в пути следования (т.е. расходы на перевозку возрастают). С другой стороны, снижение Atp означает увеличение расходов на ремонт (увеличение численности персонала, инструментов, непроизводительные отвлечения ремонтируемой техники). Следовательно, должно быть оптимальное значение, соответствующее минимуму совокупных затрат.
К сожалению, теоретически вычислить оптимум Atp очень трудно из-за
большого разнообразия влияющих факторов (вид поезда, случайности в графике движения, погода, квалификация поездной бригады и т.д.), к тому же ситуация непрерывно меняется: то, что было оптимальным сегодня, завтра может не соответствовать оптимуму.
Сложившаяся практика периодических ремонтов основана на накопившемся опыте эксплуатации и, как правило, реализуется с определенным технологическим запасом (т.е. ремонты выполняются чаще, чем этого требует действительное состояние транспорта).
Согласно идеологии ремонта по техническому состоянию [99], текущее состояние подвижной единицы оперативно оценивается специальным оборудованием. После этого принимается квалифицированное решение о необходимости ремонта, его объеме (т.е., что именно подлежит ремонту) и сроках. Это позволит сократить расходы на ремонт подвижного состава и повысить его надежность.
Отыскание критического пути и наиболее уязвимых компонентов. Если известны статистики отказов компонентов подвижной единицы в виде вероятностей Pijih) где h фиксированное контрольное время, то можно найти наиболее уязвимый элемент. Это можно сделать, например, в виде алгоритма, приведенного на рис. 3.8.
В соответствии с алгоритмом и диаграммой неисправностей в начале предполагается, что процесс начинается с уровня 0. С какой либо из точек 00 или 01 ищется дуга, с максимальным значением вероятности возникновения неисправного состояния pj ;тах (блок 1). После нахождения этой дуги записываются ее параметры i,j (блок 2). Если это не последний уровень (блок 3), то происходит переход на следующий уровень i + 1 (блок 4) и действия блоков 1, 2, 3 повторяются.
Если же поиск осуществлялся на последнем уровне (блок 3), то происходит удаление элементов, пройденного в графе пути (блок 5). При этом если из узла не выходят дуги, то он тоже удаляется. Затем происходит проверка наличия неисследованных путей преобразованного графа. При положительном результате происходит переход на нулевой уровень и поиск повторяется. При отрицательном результате (блок 6) исследования прекращаются.
Если надежность деталей повысить не удается, вводится процедура оперативного диагностирования, основная функция которой — раннее обнаружение неис правностей или их предсказание. Если по диаграмме неисправностей обнаружен уязвимый компонент, все маршруты графа, проходящие через выделенную вершину, являются критическими.
При удалении (исключении) этой вершины можно построить другие критические маршруты. При этом если вершина является точкой сочленения, через нее будут проходить, по крайней мере, два критических маршрута. Все критические маршруты должны подвергаться дополнительному анализу.
Заметим, что в большинстве случаев от любой вершины диаграммы возможны два маршрута, соответствующих конечным состояниям подвижной единицы 01 и 0 (рис. 3.1). Наиболее значимы маршруты второй категории, приводящие к полной неисправности, поэтому они имеют при анализе более высокий приоритет. Таким образом, алгоритм, описанный выше, применяется дважды: для конечных вершин 1 и 00 соответственно.
Планирование технологий ремонта и алгоритмов диагностирования. Предположим, имеется ранжированный ряд вида (3.15). Он может быть получен не только теоретически, но и обработкой статистических данных об отказах оборудования и заменах. Заметим, что здесь не выделены отдельно составляющие первого уровня (т.е. отдельно механическая, электрическая, пневматическая составляющие). На основе этой последовательности допустимо строить технологии контроля и ремонта подвижной единицы. Ранжированный ряд показывает очередность осмотров оборудования, узлов и агрегатов: в первую очередь осматриваются элементы, стоящие слева в указанной последовательности.
По ранжированному ряду можно строить технологии универсальных осмотров, предназначенные, в частности, для локомотивных бригад и осмотрщиков вагонов на станциях и в пути следования. Поскольку приведенный ряд представляет числовую последовательность, по нему можно составить граничные зоны осмотров. Например, в зону осмотра входят узлы с вероятностью отказа не ниже С, где С — константа, определяемая по опыту эксплуатации.
Системы периодического контроля на примере комплекса вибродиагностики «Прогноз»
Комплекс предназначен для автоматизированного вибродиагностирования ко-лесно-моторных блоков (КМБ) локомотивов. Также он может использоваться и для других подвижных соединений (тела вращения, зубчатые передачи и т.д.). Применение комплекса оперативной диагностики «Прогноз-1М» обеспечивает повышение эксплуатационной надежности, улучшение технического обслуживания, повышение производительности труда, снижение общих затрат на ремонт [14, 15, 202, 104, 107, 109,110]. Комплекс предназначен для оценки: - технического состояния; - остаточного ресурса (промежуток времени до следующей обязательной проверки) подшипников качения и зубчатых передач по результатам одного цикла измерения, обработки, регистрации и анализа сигналов вибрации и частоты вращения механических узлов оборудования.
Окончательное заключение по результатам диагностирования узла дается в виде следующих рекомендаций по диагностируемому узлу: - «В эксплуатацию допустить»; - «Заменить подшипник»; - «Произвести следующее измерение не позднее определенной даты». Рекомендация выдается с учетом предыдущих результатов диагностирования, если они были. Оценка технического состояния подшипников производится путем определения относительной количественной оценки (ОКО) развития следующих основных дефектов возникших в процессе эксплуатации: - бой вала (повышенная вращающаяся нагрузка на подшипник, неуравновешенность ротора, обкатывание наружного кольца); - неоднородный радиальный натяг (является обычно дефектом сборки, в частности, следствием посадки подшипника на вал, диаметр которого больше допустимого, перекоса вращающегося кольца, повышенной осевой нагрузки на подшипник); - перекос наружного кольца (возникает обычно при монтаже подшипника и из-за дефектов посадочного места); - износ наружного кольца (почти всегда происходит локально, изменяя коэффициент трения качения на отдельных участках поверхности наружного кольца); - раковины или трещины на наружном кольце; - износ внутреннего кольца (как правило, происходит локально, но зона повышенного коэффициента трения захватывает область, превышающую расстояние между точками контакта ближайших двух тел качения); - раковины или трещины на внутреннем кольце; - износ тел качения и сепаратора (относится к наиболее опасным дефектам, так как развивается достаточно быстро); - раковины и сколы на телах качения (относится к числу наиболее опасных и наиболее быстро развивающихся дефектов); - проскальзывание кольца в посадочном месте (является достаточно редким дефектом и может обнаруживаться лишь в том случае, если проскальзывание происходит в момент измерения вибрации); - дефекты смазки (недостаток смазки или наличие в ней инородных включений); - не идентифицированный дефект (неопределенная вибрация от остальных частей диагностируемого узла или сопряженного с ним оборудования). Каждый из обнаруженных дефектов, в соответствии с порогом ОКО, установленным в программе, относится к одной из следующих степеней развития дефекта: Пороговые значения ОКО каждого из дефектов подшипника устанавливаются пользователем при конфигурации программы и должны быть уточнены в процессе эксплуатации при достаточно большом количестве статистического материала (не менее тридцати экспертных оценок для каждого уточняемого порога дефекта по степени его развития). Для диагностируемого узла (подшипника), в целом, определено пять классификационных состояний: - Эти состояния определяются для каждого диагностируемого узла на основе степени развития всех дефектов и с учетом предыдущих диагностик этого узла или узлов такого типа. Количественная оценка остаточного ресурса подшипников (срок очередного диагностирования) определяется программой в зависимости от вида обнаруженного дефекта, степени его развития и от значения общего ресурса подшипника, установленного в данном конкретном узле. Количественное значение остаточного ресурса (срок следующего диагностирования) может быть уточнено в процессе эксплуатации комплекса при достаточно большом количестве статистического материала. Методы диагностирования подшипников качения, заложенные в программу, основаны на анализе вибрации, создаваемой силами трения в подшипниках. Специфика сил трения качения во вращающихся узлах такова, что при отсутствии дефектов в подшипниках качения они стабильны по времени.
При недостаточной точности изготовления подшипника, его монтажа в посадочном месте, а также при износе поверхности трения, силы трения в этом подшипнике перестают быть стабильными и зависят от угла поворота вращающегося кольца или сепаратора. Постоянная сила трения возбуждает случайную вибрацию подшипника в широкой полосе частот. Максимум ее спектральной плотности обычно приходится на частоты порядка 2...10кГц. Частота спектральной плотности зависит в первую очередь от скорости вращения и размеров подшипника, качества поверхностей трения и смазки. При появлении дефектов, а, следовательно, нестабильности силы трения, возбуждаемая случайная вибрация становится нестационарной, то есть величина спектральной плотности на любой частоте периодически изменяется во времени. Именно нестационарность случайной вибрации подшипниковых узлов является объективным признаком появления дефектов трущихся поверхностей в подшипниках качения. Количественные характеристики нестационарной случайной вибрации определяются в результате спектрального анализа огибающей этой вибрации. Нестационарность, представляющая собой амплитудную модуляцию высокочастотной вибрации периодическим процессом, например, с периодом вращения узлов подшипника, приводит к тому, что в спектре огибающей кроме случайных составляющих появляются еще и гармонические составляющие, с частотой вращения этих узлов. В результате по частотам появившихся составляющих определяются виды имеющихся в подшипнике дефектов (идентификация), а по разности уровней гармонической и случайной составляющих спектра огибающей вибрации — глубина каждого из обнаруженных дефектов. Этот метод анализа сигналов вибрации (метод огибающей) позволяет обнаружить и идентифицировать все основные виды дефектов, определяющих ресурс подшипниковых узлов. Для обнаружения сильно развитых дефектов анализируются прямые спектры вибрации.
