Диагностика электромеханических систем транспортного комплекса. Учебное пособие

ется посредством тяговой сети, включающей в себя контактную и рельсовую сети, питающие кабельные или воздушные линии. Потери тяговой сети Рт.с отражаются на рисунке. Оставшаяся часть потреблённой от источника энергии поступает на подвижной состав, где распределяется:

между тяговым электроприводом;

нетяговыми потребителями;

системой управления.

Рис. 2.2. Структурная схема расхода энергии

В зависимости от вида электрического транспорта составляющие потерь в каждом из элементов системы различны, но процентное соотношение их различается незначительно. Поскольку наземные виды массового городского транспорта (трамвай, троллейбус) питаются, как правило, от одних и тех же подстанций, определить долевое участие каждого из них в создании потерь в системе электроснабжения затруднительно и его можно оценить через удельные показатели энергопотребления, в качестве которых выступают затраты энергии на перевозку одной тонны груза (пассажирской нагрузки) на расстояние в один километр. Так, в частности, удельный расход энергии на подвижном составе трамвая в среднем составляет 35…80 Вт· ч/т· км, для троллейбуса – 150…180 Вт· ч/т· км, для метрополитена – 50…70 Вт· ч/т· км. При этом для подвижного состава, например, троллейбуса, оснащённого реостатно-контакторной системой управления, процентное соотношение в распределении потреблённой энергии между элементами системы тяговая подстанция – тяговая сеть – подвижной состав выглядит следующим образом:

тяговая подстанция – до 5 %;

тяговая сеть – до 10 %;

22

подвижной состав – свыше 85 %.

Потери энергии, а следовательно, и расход её на совершение транспортной работы существенно зависят от технического состояния каждого элемента системы. Поэтому диагностирование всех составляющих транспортного комплекса необходимо производить регулярно.

2.2. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОДВИЖНОГО СОСТАВА КАК ОБЪЕКТА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

При организации системы диагностирования необходимо учитывать следующие особенности транспортного средства как объекта диагностирования:

большое разнообразие систем транспортного средства (механические, электрические, гидравлические и т. д.), затрудняющее получение универсальных решений при выборе методов и технических средств диагностирования;

наличие как дискретных, так и непрерывных систем, определяющих различный подход при решении задач диагностирования;

различный уровень надёжности систем транспортного средства, затрудняющий организацию процесса диагностирования и принятие

решений при определении их технического состояния;

различные функциональные состояния транспортного средства (подготовка к эксплуатации, эксплуатация, ремонт), влияющие на выбор задач и глубину диагностирования, а также на степень использования технических средств диагностирования;

сложность структуры транспортного средства, обусловливающая выбор принципа его декомпозиции при организации системы диагностирования.

Диагностирование транспортного средства в целом и его элементов должно производиться в определённом порядке, использующем последовательность операций проверки. С этой целью всё транспортное средство разбивается на уровни [2].

Пассажирский подвижной состав (ПС) электрического транспорта является сложной электромеханической системой, которую условно можно представить состоящей из двух основных частей: механической и электрической. Условность такого деления вытекает из следующего: многие устройства, аппараты, агрегаты представляют собой совокупность элементов, техническое состояние которых определяется в равной степени как механическими, так и электрическими параметрами.

23

Например: тяговый электрический двигатель (ТЭД), контакторы, реле, электромагнитный тормоз, мотор-компрессор, токоприёмник, электропневматические вентили и др.

Для анализа существующих методов диагностирования, их совершенствования и разработки новых методов необходимо произвести функциональную дифференциацию оборудования как сложного многоуровневого электромеханического комплекса. Рассмотрим структуру диагностирования оборудования подвижного состава на примере троллейбуса. С этой целью предлагается блочно-функциональная декомпозиция оборудования электроподвижного состава по вертикали и горизонтали (рис. 2.3).

На каждом уровне декомпозиции приведены конкретные элементы подвижного состава, подлежащие диагностике, а также ряд диагностических признаков, по которым оценивается техническое состояние объекта. Из приведённых примеров видно, что некоторые признаки могут использоваться как в качестве обобщённых – на первом уровне (например, ток тягового двигателя) и при углублённой диагностике.

Первый уровень включает в себя общее диагностирование объекта с целью определения работоспособности, основных выходных показателей производительности и экономической эффективности подвижного состава.

На втором уровне диагностируются его части, такие как двигатель, электрооборудование, трансмиссия, ходовая часть, рулевое управление, тормозные системы и дополнительное оборудование в целом.

На третьем уровне диагностируются агрегаты механизмов, систем, приборов, устройств.

Четвёртый уровень включает в себя диагностирование подвижных сопряжений типа: деталь с деталью, деталь с внешней средой.

На пятом уровне рассматриваются отдельные детали.

Более глубокие уровни диагностирования позволяют не только оценить техническое состояние по принципу «годен – не годен», но и во многих случаях указать на места дефекта или отказа, которые со временем могут стать причиной выхода из строя подвижного состава.

Наличие одинаковых признаков на разных уровнях позволяет использовать одни и те же методы и средства при диагностировании ЭПС «в глубину». Это способствует снижению капитальных затрат на оснащение ремонтных предприятий, уменьшению эксплуатационных расходов на определение характера и местонахождения неисправностей, а также исключению субъективного фактора при оценке технического состояния как объекта в целом, так и его узлов и деталей.

24

Подвижной состав как функционально законченный объект

УРОВЕНЬ 1 Диагностические признаки: а) потребляемый ток; б) сопротивление движению; в) ускорение (замедление);

г) тормозной путь; д) ток утечки и т.д.

Системы электрического и механического оборудования:

тяговый электропривод; вспомогательное электрооборудование; дополнительное электрооборудование; система управле- УРОВЕНЬ 2 ния; пневмосистема экипажа и т. д. Диагностические признаки:

а) потребляемый ток; б) омические сопротивления; в) давление г) время и т. д.

Агрегаты и узлы систем электрического и механического оборудования:

тяговый электродвигатель; мотор-компрессор; мотор-

УРОВЕНЬ 3 генератор; редуктор; ходовые части; тяговая панель и т. д.

Диагностические признаки: а) потребляемый ток; б) давление пневмосистемы; в) сопротивление изоляции; г) амплитуда и частота вибрации и т. д.

Сборочные единицы агрегатов и узлов:

якорь электродвигателя; промежуточный вал редуктора; блок пускотормозных резисторов; аккумулятор; контактор и т. д.

УРОВЕНЬ 4 Диагностические признаки: а) потребляемый ток; б) омические сопротивления изоляции и пускотормозных реостатов; в) плотность электролита; г) амплитуда

и частота вибрации и т. д.

Детали сборочных единиц:

коллекторные пластины; электрощётки; контакты реле,

автоматов, контакторов; катушки; кольца поршневой УРОВЕНЬ 5 группы компрессора; пружины; пневмошины и т. д.

Диагностические признаки: а) геометрия и размеры детали; б) геометрия и размеры пятна контакта; характеристики поверхности; в) упругость;

г) давление и т. д.

Рис. 2.3. Блочно-функциональная декомпозиция подвижного состава

Представленный вариант структурирования единицы подвижного состава не является однозначным. Рассмотрим несколько иной подход к решению этой задачи на примере подвижного состава трамвая.

25

Для разработки методов и средств технического диагностирования необходимо выполнить функциональное описание оборудования трамвайного вагона как сложной многоуровневой технической системы. С этой целью производится блочно-функциональная декомпозиция оборудования трамвайного вагона по вертикали и горизонтали (рис. 2.4). Вертикальная декомпозиция выполнена на основе имеющихся функциональных связей рассмотренных ниже компонентов. При этом выделено пять уровней: 1 – оборудование единицы ПС в целом; 2 – две функциональные системы (тяговый электропривод и экипаж); 3 – десять функциональных подсистем (тяговые электродвигатели, передаточные устройства, тяговая силовая цепь, электрические цепи управления, кузов, ходовые части, подвеска, механические тормоза, пневматическое оборудование, вспомогательные электрические цепи); 4 – отдельные агрегаты, устройства, технические изделия, аппараты, приборы и т. д.

При горизонтальной декомпозиции оборудования выделяются отдельные его составляющие по основному признаку физического процесса или принципу технического исполнения, на которых основано их функционирование. При этом между отдельными элементами каждого уровня также существуют связи, которые условно можно разделить на три группы: механические, электрические и конструктивные. Механические и электрические связи обеспечивают правильное функционирование и тем самым характеризуют работоспособность элементов данного уровня. Для более полной оценки технического состояния элементов каждого уровня необходимо, как правило, дополнительно учитывать конструктивные связи (исправность крепёжных элементов, точность установки и т. д.), поскольку они также влияют на качество работы подвижного состава (безотказность, безопасность, экономичность, транспортный комфорт).

Наличие связей между функциональными подсистемами показано в табл. 2.1, где функциональные подсистемы обозначены порядковыми номерами. Относящиеся к тяговому электроприводу: 1.1 – тяговые электродвигатели, 1.2 – передаточные устройства, 1.3 – тяговая силовая цепь, 1.4 – электрические цепи управления. Относящиеся к экипажу: 2.1 – кузов, 2.2 – ходовые части, 2.3 – подвеска, 2.4 – механические тормоза, 2.5 – пневматическое оборудование, 2.6 – вспомогательные электрические цепи. Буквами М, Э, К обозначены соответственно связи механическая, электрическая, конструктивная. Например, тяговые электрические двигатели механически связаны с передаточными устройствами, электрически – с тяговой силовой цепью, а конструктивно размещены на ходовых частях.

26

Элементы четвёртого уровня представляют, как правило, отдельные технические изделия, устройства, агрегаты, аппараты, приборы и т. д. Их конструкция и количество зависят от конкретного типа ПС.

Элементы пятого уровня (детали) характеризуются структурными параметрами (геометрические размеры, масса, чистота обработки поверхности и т. д.), контроль технического состояния этих элементов, как правило, сводится к процессу дефектации и может осуществляться только после полной или частичной разборки элементов четвёртого уровня.

Выполнить анализ и дать полную оценку технического состояния элементов четвёртого и пятого уровней практически невозможно по ряду причин: во-первых, необходимо было бы проверять слишком большое количество входных, внутренних и выходных параметров (порядка 105…106); во-вторых, в настоящее время для большинства элементов не определены однозначно функциональные связи между структурными и диагностическими параметрами, а также закономерности их изменения под воздействием эксплуатационных факторов; в-третьих, трамвайные вагоны как объекты диагностирования не оборудованы необходимыми устройствами для определения их технического состояния.

С другой стороны, контрольно-диагностические операции должны оцениваться и по экономическим критериям. Для этого необходимо сравнить капитальные и текущие затраты на разработку, освоение и

28

использование методов и средств технической диагностики, а также затраты, связанные с простоем ПС при контрольно-диагностических операциях, с затратами, которые транспортные предприятия несут в результате отказов ПС на линии, необоснованных ремонтных вмешательств, простоев ПС, связанных с поиском неисправностей, дополнительного расхода электроэнергии и ускоренного износа оборудования; как правило, эти затраты связаны с низким качеством выполняемых работ при техническом обслуживании и ремонте ПС.

Таким образом, для разработки средств диагностирования необходимо выполнить анализ оборудования с учётом указанных выше требований и определить диагностические параметры. При этом блочнофункциональная декомпозиция позволяет установить иерархию диагностических целей и алгоритмов в соответствии с функциональными связями составляющих компонентов, определить диагностические параметры для элементов каждого уровня (вертикальная декомпозиция) и физические методы диагностирования (горизонтальная декомпозиция).

В результате декомпозиции оборудования вагона отдельные элементы (система, подсистема, аппарат и т. д.) могут выступать как самостоятельные объекты диагностирования, применительно к которым решаются все вопросы диагностического обеспечения: перечень диагностических параметров, методы их оценки, условия работоспособности, признаки наличия дефектов в объекте, алгоритмы и программы диагностирования, показатели контролепригодности объекта и эффективности процесса диагностирования и т. д.

Аналогичное структурирование может быть произведено и для подвижного состава метрополитена.

2.3. ПРИЗНАКИ И ПАРАМЕТРЫ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Все неисправности и отказы, возникающие при эксплуатации транспортных средств, сопровождаются изменением зазоров в сопряжениях, износом, шумами, вибрациями, нарушениями температурных режимов, пульсациями давления, изменениями функциональных показателей (снижением мощности, тягового усилия, производительности, давления) и т. д. Эти сопутствующие неисправностям и отказам

29

признаки могут служить основой для определения технического состояния подвижного состава в целом либо его элементов. Количественное выражение признака определяется диапазоном его изменения (параметром), в котором объект считается исправным.

На практике используют признаки, отвечающие требованиям однозначности, доступности и удобства измерения, информативности, технологичности. При этом в первую очередь учитывают признаки, которые характеризуют наиболее часто повторяющиеся отказы и неисправности.

Под однозначностью понимают соответствие каждому значению диагностического параметра только одного вполне определённого значения параметра выходного процесса (состояния диагностируемого объекта).

Доступность и удобство измерения диагностического параметра обусловлены конструктивными особенностями объекта диагностирования и диагностического средства.

Информативность признака определяется снижением уровня неопределённости знаний о техническом состоянии объекта после использования информации по результатам диагностирования.

Технологичность измерения параметра любого признака определяется удобством подключения диагностической аппаратуры, простотой измерения и обработки результатов измерений. В целом технологичность измерения характеризует трудоёмкость и стоимость диагностирования.

Диагностические признаки подразделяют на частные и общие. Частный признак указывает на вполне определенную неисправность или отказ объекта диагностирования. Например, смещение порога срабатывания предохранительного клапана двигателя конкретно указывает на его разрегулирование. Общие признаки характеризуют общее техническое состояние диагностируемого объекта. К числу общих параметров относятся, например, развиваемая двигателем мощность, реализуемое тяговое усилие и др.

Диагностические признаки бывают зависимыми и независи-

мыми. Каждый независимый признак указывает на конкретную неисправность. Отдельный зависимый диагностический признак не определяет неисправности или отказа. Зависимые признаки можно определить по влиянию их параметров друг на друга при одновременном измерении их значений.

30