ТРАНСВУЗ-2015.Часть 1

Ремонт и динамика подвижного состава

Данный преобразователь позволяет улучшить энергетические характеристики тягового электродвигателя, так как форма кривой выходного напряжения в большей степени приближается к синусоидальной из-за переключений тиристоров через тридцать электрических градусов, что совместно с независимостью выходного напряжения от характера нагрузки уменьшает пульсации электромагнитного момента, вызванных вращающимися и колебательными моментами, обусловленными высшими гармоническими составляющими в кривой выходного напряжения и их взаимодействием с основной гармоникой. В данном варианте система управления может быть упрощена, так как нет необходимости контроля напряжения на коммутирующих конденсаторах регуляторов напряжения, а также исключается блок формирования коммутационных интервалов. Однако существует задача разработки быстродействующего УУ на современной элементной базе, формирующего требуемые задающие импульсы для регулирования работы преобразователя в целях поддержания необходимых тяговых характеристик двигателя. Улучшение регулировочных свойств системы управления (точность, быстродействие и т.д.) может быть достигнуто за счет использования нейронных сетей [2].

Рис. 3. Схема трехточечного АИН на смешанной элементной базе

240

ТРАНСВУЗ – 2015

Широкое распространение в настоящее время получил принцип векторного управления, являющийся одним из способов частотного управления асинхронным электроприводом. Данный принцип основывается на преобразовании и приведении измеренных в неподвижной системе координат двигателя (токов, потокосцеплений и т.п.) к вращающейся системе координат с выделением постоянных значений, пропорциональных составляющим векторов соответствующих величин, регулирование которых позволяет осуществить раздельное управление скоростью, и, например, потоком двигателя. При векторном управлении получение текущей информации об опорном векторе магнитного потокосцепления является главной проблемой построения таких систем, решать которую принято с помощью датчиков Холла или измерительных обмоток.

Недостатком алгоритмов векторного управления являются большой объем вычислений при прямом и обратном взаимном преобразовании неподвижной и вращающейся систем координат, а также наличие звена запаздывания в формировании электромагнитного момента. Устранить данные недостатки могут системы прямого управления моментом, являющиеся частным случаем векторного принципа. Но в таких системах также имеется существенная зависимость сопротивлений обмоток статора и ротора от температуры асинхронного двигателя, нелинейность параметров L1, L2, L12 (оказывающих умеренное влияние на качество управления двигателем), сложность получения текущей информации об опорном векторе магнитного потокосцепления, что в совокупности приводит к возникновению ошибок оценивания магнитного потока. Последний фактор сказывается на снижении энергетической эффективности процесса преобразования энергии и может приводить к потере устойчивого режима работы. Для уменьшения влияния вышеуказанных характеристик, повышения точности и достоверности получаемой информации о параметрах регулирования могут быть использованы специальные адаптивные алгоритмы наблюдения за потоком статора, в качестве которого предлагается использовать искусственную нейронную сеть (ИНС).

ИНС состоят из множества искусственных нейронов, которые представляют собой модели живых нейронов, но по содержанию произведенных ими операций, а не по способу функционирования. В простейшем случае они представляют

241

Ремонт и динамика подвижного состава

собой, подобно сети нервных клеток, упорядоченную по слоям совокупность элементов, называемых нейронами. Предполагается, что совмещение способа прямого управления моментом и нейросетевых технологий позволит значительно повысить качество идентификации и регулирования асинхронного тягового электропривода, повысить робастность системы управления (устойчивость к изменениям параметров объекта управления). Существуют различные гибриды нечетких систем и нейронных сетей, умеющих обучаться на большой выборке реальных примеров, при этом точно настраивая вид функций принадлежности. Они имеют несколько вариантов структур реализации: NNFLC (Neurons network fuzzy logic controller), ANFIS (Adaptive network based fuzzy inference system), NNDFR (Neuron network driven fuzzy reasoning), GARIC (Generalized approximate reasoning based intelligent control) и FUN (Fuzzy Net). Наиболее распространенный вариант ANFIS можно моделировать на компьютере с помощью пакета MATLAB, который позволяет выгружать построенные схемы в виде фрагментов кода на языке Си, что значительно облегчает программирование сложных объектов. Помимо этого, имеется возможность обойтись без компьютера, перенеся логическую обработку информации на контроллер, исключив тем самым зависания операционной системы компьютера. Стоимость такой системы снижается, габариты уменьшаются, схема упрощается. Во многие выпускаемые микроконтроллеры встроена аппаратная поддержка базовых нечетких операций. Также выпускаются специализированные DSP-процессоры, позволяющие реализовать многослойную нейронную сеть, например, микроконтроллер фирмы Motorola с нечеткой логикой или нейропроцессор Л1879ВМ1 отечественной фирмы Модуль. Именно на таких электронных устройствах реализуется аппаратный нейронечеткий контроллер.

Список литературы

1. №813654, СССР, МКИ НО2Р 7.42. Устройство для регулирова-ния скорости вращения тягового электродвигателя [Текст] /А. С. Мазнев, А. Н. Рогов и др. // Б. И. – №10, 1981 г.

2. Кочкар, Т. А. Использование нейросетевых технологий при разработке систем управления электрического подвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями [Текст] / Т. А. Кочкар, А. С. Мазнев. // «Электроника и электрооборудование транспорта»., – №3. 2014, – С. 15 – 18.

242

ТРАНСВУЗ – 2015

УДК 004. 083

Нгулу – А – Ндзели

МЕТОДИКА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДОКОМОТИВОВ

Автором предлагаются методика и алгоритмы оперативного диагностирования тяговых двигателей локомотивов, основанные на обобщенном методе структурного анализа и теории принятия решений. Метод и соответствующие алгоритмы использованы при программировании контроллеров вибродиагностических систем

Тяговые двигатели локомотивов являются основой всего подвижного состава на железнодорожном транспорте. Они должны обладать следующими свойствами.

1.Повышенная надежность. Уникальность железнодорожного транспорта заключается в том, что он является системой конвейерного типа: отказ любого элемента в транспортной цепочке приводит к отказу всей перевозочной системы: все поезда, следующие за остановившимся, вынуждены останавливаться до ликвидации неисправности. Способы восстановления движения могут быть разными; главными критериями при этом могут быть время остановки, стоимость восстановления, механизмы восстановления и т.д. В любом случае основой надежности транспортного конвейера являются тяговые двигатели (ТД).

2.Унифицируемость. Любое транспортное средство содержит одно или несколько движителей. Они одинаковы, обладают свойством взаимозаменяемости и ремонтнопригодны. Базовым элементом являются именно ТД.

3.Модульность. ТД поддерживаются единой системой управления, обеспечивающей взаимодействие транспортных модулей для управления локомотивом в смысле максимальной эффективности движения, т.е. минимальных расходов на общую поездную задачу.

В любом случае базовым элементом любого локомотива являются ТД. От их надежности, унифицируемости, ремонтопригодности и возможности для

243

Ремонт и динамика подвижного состава

оперативного восстановления зависит надежность железнодорожного транспортного конвейера.

С позиций экономики возникает задача восстановления локомотивов с минимальным ущербом для транспортного конвейера. Одним из наиболее эффективных вариантов ее решения является вариант безразборной диагностики, т.е. проверки технического состояния ТД непосредственно на локомотиве.

Существует два варианта оперативной диагностики ТД: бортовая и деповская. В первом варианте оперативное диагностирование производится непосредственно во время эксплуатации подвижного состава. Бортовая диагностика осуществляется непосредственно во время движения поезда и является помощником для поездных бригад. Например, это система контроля температуры буксовых подшипников и аналогичных им устройств. Это системы аварийного типа, которые должны останавливать дальнейшую эксплуатацию транспортного средства.

Деповская диагностика осуществляется при временном удалении транспортной единицы из эксплуатации для оперативной проверки с целью ее возвращения или ремонта. Она требует более серьезной и дорогостоящей организации. В любом случае должен выполняться главный критерий: безопасность движения.

При организации деповской диагностики желательно обеспечить минимальное время отвлечения локомотива из эксплуатации. Это экономически оправданный критерий. Он должен подкрепляться следующим математическим соотношением. Обозначим затраты на диагностику через ЗД , экономический эффект от своевременного обнаружения неисправности через ЭН . Тогда критерий эффективности средств диагностики может быть записан в виде:

включать следующие компоненты:

– допустимые затраты на средства диагностирования (расходы на программно – аппаратную часть);

244

ТРАНСВУЗ – 2015

–текущие расходы на обслуживание (обучение персонала, проверку функционирования);

–расходы на восстановление систем диагностирования.

Отметим, что все перечисленные показатели зависят от времени, т.е. в выражении (1) все члены являются функциями времени.

Главное в перечисленных критериях – обнаружение критических оценок: наиболее уязвимых элементов транспортного конвейера.

Главной составляющей железнодорожных перевозок является все – таки путь. Это основа для железнодорожных перевозок. Вторая составляющая – это локомотивы. Они являются главной движущей силой железнодорожного транспорта, поэтому их надежность является базовой компонентой для организации транспортного конвейера.

При этом главным элементом локомотива являются ТД. Их оперативная диагностика является основой для организации транспортного конвейера.

Основой научной проблемы является оперативная диагностика ТД. В основе диагностики лежит безразборная технология, суть которой состоит в следующем. Локомотив оставляется из эксплуатации и в пункте диагностирования оборудуется датчиками вибродиагностики. По окончанию диагностического эксперимента локомотив или отправляется в дальнейшую эксплуатацию (оптимистический прогноз), или отправляется на ремонт с дополнительными затратами, или подвергается дополнительной проверке.

Целью исследования является снижение дополнительных затрат путем безразборной технологии диагностирования. Она состоит в том, что после установки локомотива на проверку каждого из тяговых двигателей с использованием структурной и вычислительной избыточности дополнительно вводятся алгоритмы диагностирования, включающие. кроме спектрального анализа, вейвлет – преобразование и элементы нечеткой логики.

В результате дополнительных алгоритмических преобразований появилась возможность повышения качества диагностирования и снижения времени простоя локомотивов.

245

Ремонт и динамика подвижного состава

УДК 629.4.083

Ю. Н. Дацун

ОЦЕНКА ЗНАЧИМОСТИ ОТКАЗОВ УЗЛОВ ТЕПЛОВОЗОВ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ РИСКОВ

Переход к техническому обслуживанию локомотивов, ориентированному на надежность, базируется на оценке рисков отказов их оборудования, частоты их возникновения, возможности обнаружения. На сегодняшний день не существует четкой классификации оборудования локомотивов с точки зрения влияния их отказов на безопасность. В работе проводится группирование оборудования локомотивов по этому критерию. Сравниваются различные способы оценки рисков отказов оборудования локомотивов. На основе экспериментальных данных и данных экспертного оценивания строятся матрицы критичности отказов оборудования локомотивов.

Вступление. В нынешних условиях удорожания энергетических и материальных ресурсов, старения локомотивного парка, решение вопросов обеспечения безопасности движения на железной дороге, повышения надежности локомотивов и качества их ремонта вынуждают искать новые подходы к системам их технического содержания.

Применяемая в настоящее время планово-предупредительная система содержания локомотивов сложилась до широкого развития теории, методов и средств технической диагностики. Она предусматривает строгое соблюдение регламентированной периодичности технических обслужуваний и ремонтов (ТОР), объемов проводимых работ.

По причине различных значений наработки на отказ агрегатов и узлов локомотивов, определяется соответствующий ряд узлов, «лимитирующий» периодичность каждого вида ТОР. Для остальных узлов сроки постановки на ТОР не соответствуют их ресурсу.

Анализ исследований и публикаций. Эксплуатация локомотивов в различных условиях, отличающихся по сети железных дорог, вызывает влияние на локомотивы большого числа факторов, многие из которых по-разному проявляются в конкретных условиях. А зачастую носят случайный характер. Это приводит к тому, что ресурс даже одноименных агрегатов и узлов

246

ТРАНСВУЗ – 2015

локомотивов может существенно отличаться в зависимости от условий эксплуатации. Такая ситуация становиться причиной неплановых ремонтов в одних условиях, и постановки на плановый ремонт локомотивов с недоиспользованным ресурсом агрегатов и узлов [1, 2].

Наиболее логичным выходом из сложившейся ситуации видится применение систем содержания, базирующихся на оценке фактического технического состояния узлов и агрегатов. На практике осуществление такого подхода усложнено по причине необходимости внедрения большого количества диагностических средств, затрат на системы обработки и хранения информации, персонал.

В связи с этим наиболее перспективными являются подходы, практикующие дифференцируемый подход в содержании различных узлов и агрегатов (стратегия, ориентированная на надежность (Reliability Centered

Maintenance – RCM) [3, 4].

Согласно стратегии RCM, различные группы или единицы оборудования имеют разную значимость (критичность) для выполнения системой своих функций и исключения возможного ущерба. А значит, отказы оборудования с разной критичностью будут отличаться по степени опасности последствий. Следовательно, для экономии ресурсов предупреждать нужно только те отказы, которые могут вызвать значимые последствия. То есть стратегия, ориентированная на надежность, фокусирует внимание не на отказы оборудования, а на их последствия [5].

Одним из важнейших этапов при реализации стратегии RCM есть определение перечня критичного оборудования, отказ которого ведет к функциональному отказу, расчет параметров критичности отказов. Для такого оборудования применяется сочетание практик планово-предупредительного ремонта и ремонта по техническому состоянию. Для некритичного оборудования (отказ которого не приводит к функциональным отказам) применяют практику ремонта при отказе,

Цель статьи. Определить состав критичного оборудования тепловоза на основе оценки значимости их отказов, рассмотреть методы формализации риска отказа оборудования тепловоза.

Основной материал. Понятие критичности отказа введено для того, чтобы проводить классификацию отказов по их последствиям. Подобная

247

Ремонт и динамика подвижного состава

классификация содержится в международных документах ИСО, МЭК и ЕОКК, а также в некоторых отраслевых отечественных документах. Критерием для классификации могут служить прямые и косвенные потери, вызванные отказами, затраты труда и времени на устранение последствий отказов, возможность и целесообразность ремонта. Продолжительность простоев из-за возникновения отказов, степень снижения производительности при отказе, приводящем к частично неработоспособному состоянию и т. п. Классификация отказов по последствиям устанавливается по согласованию между заказчиком и разработчиком (изготовителем). Для простых объектов эта классификация не используется.

При классификации отказов по последствиям могут быть введены две, три и большее число категорий отказов. В международных документах ИСО, МЭК, ЕОКК различают критические (critical) и некритические (non-critical) отказы. Некритические отказы подразделяют на существенные (major) и несущественные (minor). Границы между категориями отказов достаточно условны.

Для проведения классификации отказов по последствиям необходим анализ критериев, причин и последствий отказов и построение логической и функциональной связи между отказами.

В качестве объекта исследования был выбран маневровый тепловоз серии ЧМЕ3. На основании информации о взаимосвязи основных узлов и агрегатов было построено дерево отказов узлов тепловоза в общем виде (рис. 1).

Рис. 1. Общий вид дерева отказов тепловоза

248

ТРАНСВУЗ – 2015

На рис. 2 – 3 – системы (группы узлов) тепловоза; 2 – 4 – узлы тепловоза. Для оценки степени влияния узлов на состояние тепловоза использовались инструменты методов FMECA (анализ видов и последствий отказов) а именно экспертные оценки тяжести последствий каждого из отказов [6, 7].

Эксперты в специальных опросных листах присваивали баллы значимости отказа каждого элемента по десятибалльной шкале, принятой в процедуре FMECA.

Как показала обработка результатов, оценки экспертов были достаточно согласованными. Диапазон распределения баллов значимости от 5 (умеренный) до 10 (катастрофический). Отсутствие оценок нижней части шкалы (1 – 4) указывает на высокую значимость отказов основных узлов тепловоза.

Полученные данные группировались по принципу влияния отказа на безопасность или функциональность. Из диаграммы на рис. 2 видно, что отказ 23 % узлов есть наиболее значимым (влияет на безопасность). Отказы 55 % узлов тепловоза оказывают прямое влияние на его функциональность. И отказы 22 % узлов частично или косвенно влияют на функциональность. Такое распределение хорошо согласуется с принципом Парето, что подтверждает его адекватность.

Рис. 2. Распределение узлов тепловозов по значимости их отказов.

Исходя из этого, строение дерева отказов тепловоза приняло вид, в котором, не все начальные события приводят к отказу локомотива (рис. 3).

249