Диагностика электромеханических систем транспортного комплекса. Учебное пособие

По характеру информативности параметры подразделяют на три группы:

параметры, которые обеспечивают получение информации о техническом состоянии диагностируемого объекта, но не характеризуют его функциональные возможности;

параметры, которые обеспечивают получение информации о функциональных возможностях диагностируемого объекта, но не дают информации о его техническом состоянии;

комбинированные параметры, обеспечивающие получение информации как о функциональных возможностях, так и о техническом состоянии объекта диагностирования.

При составлении перечня диагностических признаков для транспортных средств предпочтение отдают тем из них, которые определяют безопасность движения и работы, степень воздействия на окружающую среду (дымность и содержание токсичных составляющих в отработавших газах, шум и вибрация и т. п.), а также характеризуют неисправности и отказы, для устранения которых необходимы наибольшие материальные и трудовые затраты.

Если неисправность можно оценить по нескольким диагностическим признакам, то предпочтение отдают тому, который более точно оценивает состояние объекта, а измерение его параметров либо связано с меньшими затратами, либо с его помощью можно оценить состояние нескольких элементов транспортного средства.

Рассмотрим признаки и параметры диагностирования подвижного состава на примере троллейбуса. Для этого воспользуемся рис. 2.3.

В соответствии с приведённой на рисунке пятиуровневой градацией на первом уровне производится диагностирование транспортного средства как функционально законченного объекта. В соответствии с требованиями «Правил технической эксплуатации (ПТЭ) троллейбусов» выпуск троллейбуса на маршрут производится только в исправном состоянии, которое оценивается по тормозному пути, току утечки, плавности пуска и т. д. Плавность пуска, в частности, может оцениваться по величине ускорения, силе тока в цепи тягового двигателя, величина которого зависит от сопротивления движению. Следовательно, в качестве диагностических признаков могут использоваться: сопротивление движению, ток силовой цепи, тормозной путь, ускорение (замедление), ток утечки. Параметры этих признаков лежат в следующих пределах:

удельное сопротивление на малых скоростях от 13 до 14 Н/кН;

31

пусковой ток от нуля до двойного номинального для тягового двигателя;

тормозной путь со скорости 30 км/ч – не более 9…11 м;

токи утечки на корпус – не более 3 мА в сухую погоду;

ускорение (замедление) – не более 1,5 м/с2.

Отличительной особенностью этих признаков является то, что все они могут быть проконтролированы без установки на подвижной состав.

Необходимо заметить, что указанные признаки не исчерпывают всего списка. Так, в частности, поскольку на троллейбусах в качестве привода механических тормозов используются пневмоцилиндры, дополнительным признаком, по которому оценивается техническое состояние, может служить давление сжатого воздуха. Однако здесь следует указать на то, что для проведения контроля по этому признаку необходимо выполнять следующие организационно-технические мероприятия: подключение к тормозной системе диагностической аппаратуры, а также выведение в доступное для подключения аппаратуры место контрольной точки пневмосистемы. Всё это потребует дополнительных по сравнению с первым случаем материальных и временных затрат.

На втором уровне производится диагностирование электрического и механического оборудования, выступающего как отдельные системы, размещённые на троллейбусе.

Диагностическим признаком, по которому оценивается техническое состояние электрической части троллейбуса, может быть ток силовой цепи и (или) их омическое сопротивление. Диаграмма пускового тока в функции времени, как и на первом уровне, позволит сделать заключение о состоянии цепей управления тяговым приводом.

Как и на первом уровне, диагностике подлежат также тормозная система и система пневмооборудования, в которой нас прежде всего интересует функционирование напорной магистрали и тормозной. Здесь в качестве признаков диагностирования выступают давление и время. Величина давления в напорной магистрали (в ресивере высокого давления) должна лежать в пределах от 0,45 до 0,65 МПа, время накачки сжатого воздуха в систему от атмосферного давления до максимальной величины не должно превышать 15 мин. При этом повторность включения компрессора (ПВ) не должна превышать значения 0,15.

Диагностирование на этом уровне потребует существенно бо´льших затрат времени, но подключение к системам производится без их разборки с минимальным количеством контрольных точек.

32

При желании список признаков второго уровня может быть расширен, но это, как указывалось применительно к первому уровню, вызовет дополнительные затраты времени на процесс диагностирования и материальные затраты.

Диагностирование на третьем уровне предполагает более углубленную диагностику агрегатов и узлов электрической и механической систем троллейбуса, для проведения которой необходимо подвергнуть частичному демонтажу обе системы. В соответствии с рис. 2.3 производится диагностика тягового электродвигателя; мотор-компрессора; мотор-генератора; редуктора; ходовых частей; тяговой панели (в случае резисторно-контакторного управления) и т. д. Диагностическими признаками здесь будут: ток; давление; сопротивление изоляции; амплитуда и частота вибрации и т. д. Конкретные значения параметров этих признаков оговариваются заводами-изготовителями в технических условиях на поставленную продукцию.

По сравнению со вторым уровнем третий уровень предполагает более глубокое проникновение в объект и дополнительную аппаратуру для диагностирования.

На четвёртом уровне производится еще более глубокое проникновение в объект, которое сопровождается деталировкой (разборкой) систем до сборочных единиц агрегатов и узлов. В качестве примера можно привести такие узлы, как якорь электродвигателя постоянного тока, промежуточный вал редуктора, блок пускотормозных резисторов, аккумулятор, контактор и т. д.

Диагностическими признаками для данного уровня являются: потребляемый ток, омические сопротивления изоляции и пускотормозных реостатов, плотность электролита, амплитуда и частота вибрации и т. д.

Для измерения параметров на этом уровне требуется специализированная диагностическая аппаратура, а затраты времени и стоимость работ по диагностике несоизмеримо больше, чем на предыдущем уровне.

На пятом уровне производится диагностика деталей сборочных единиц. В качестве примера можно указать, что ими могут быть коллекторные пластины; электрощётки; контакты реле, автоматов, контакторов; катушки индуктивности, включая обмотки электрических машин; кольца поршневой группы компрессора; пружины; пневмошины и т. д.

33

Как и на четвёртом уровне, диагностирование производится с помощью специализированной контрольно-измерительной аппаратуры. Параметры изделий определяются величинами, указанными в технической документации.

Стоимость проведения диагностирования на этом уровне – наибольшая, что обусловлено не только ценой аппаратуры, но и затратами на разборку, сборку и регулировку элементов.

2.4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

2.4.1. ОСНОВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЮ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ОБЩЕГО ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Электрический транспорт является крупным потребителем электроэнергии. Поэтому даже незначительное снижение расхода её на транспорте имеет существенное значение. Энергия, потребляемая тяговыми двигателями на преодоление сил сопротивления движению, составляет значительную долю в общем объёме энергии, израсходованной на выполнение перевозок. Величина сопротивления движению, влияя в значительной степени на расход электроэнергии, одновременно может служить критерием оценки технического состояния подвижного состава и путевого хозяйства.

Повышенное сопротивление движению имеет, например, подвижной состав с плохо отрегулированными тормозами, повышенным трением в элементах тягового привода и ходовой части. Неправильная регулировка системы механических тормозов может также значительно увеличить сопротивление движению. Высокое удельное сопротивление движению приводит к повышенному износу трущихся частей и служит сигналом необходимости проверки их регулировки и смазки.

С величиной сопротивления движению связан, как указывалось выше, расход электрической энергии на перемещение подвижного состава. В удельной форме, т. е. отнесённой к весу транспортного средства и единице длины пути, удельный расход электрической энергии

Ауд в Вт· ч/(т· км) пропорционален удельному сопротивлению движению w0 (Н/кН):

34

Приближённые расчёты показывают, что снижение удельного сопротивления движению на 1 % уменьшает расход электрической энергии на движение примерно на 0,4 %. Поэтому предписывают, чтобы удельное сопротивление движению ПС соответствовало утверждённым нормам и проверялось при выходе из плановых ремонтов, а также выборочно в соответствии с инструкциями.

Для снижения величины сопротивления движению необходим тщательный уход за подвижным составом, рельсовыми путями и дорогами. С этой целью у всего подвижного состава, выпускаемого на линию, а также после каждого ремонта необходимо систематически (но не реже чем 2 раза в месяц) проверять величину удельного сопротивления движению.

При выполнении профилактической проверки вполне достаточно определять удельное сопротивление движению на низких, примерно 5…8 км/ч, скоростях. В этом случае сопротивление движению в основном зависит от конструкции и состояния подвижного состава. Величина основного удельного сопротивления движению для одного и того же типа подвижного состава является не только показателем расхода энергии, но и показателем качественного состояния ПС, выпускаемого на линию.

С целью экономии электрической энергии и повышения долговечности ПС в эксплуатации систематический контроль сопротивления движению необходимо проводить при ежедневных осмотрах (ЕО), что практически трудно осуществить из-за трудоёмкости существующих методов контроля. Поэтому ежемесячно в депо выборочной проверке сопротивления движению подвергают сравнительно небольшой процент ПС.

При замерах следует руководствоваться примерными нормами удельного сопротивления движению, которые составляют: для двухосных моторных вагонов – 3,8 Н/кН летом и 4,3 Н/кН зимой; двухосных прицепных всех типов – 2,8 Н/кН летом и 3,0 Н/кН зимой; поезда – 3,5 Н/кН летом и 3,9 Н/кН зимой; четырехосных моторных вагонов – 4,1 Н/кН летом и 4,6 Н/кН зимой; троллейбусов всех типов – 13,4 Н/кН летом и 14,0 Н/кН зимой.

Силы сопротивления движению транспортного средства обусловлены наличием трения в узлах подвижного состава, трением колёс о рельсы, деформациями пути и элементов подвижного состава, сопротивлением воздушной среды, а также составляющими силы тяжести на подъёмах. Поскольку они разнообразны по характеру, месту приложения и величине, обычно их заменяют некоторой эквивалентной по

35

действию силой, приложенной к ободу колеса, на преодоление которой затрачивается такая же энергия, как и на преодоление всех действительных сил, противодействующих движению.

Вектор силы сопротивления движению направлен навстречу вектору силы тяги поезда, за исключением крутых спусков, когда он может совпадать с направлением движения. Сопротивление движению зависит от конструкции и состояния подвижного состава, верхнего строения пути, профиля и плана пути, от скорости движения, скорости и направления ветра.

Энергия, затраченная на преодоление сил сопротивления от трения, невозвратна, так как расходуется на истирание деталей подвижного состава и пути и, превращаясь в теплоту, рассеивается в окружающую среду.

Сопротивление движению условно разделяют на две главные составляющие: одну, зависящую от типа подвижного состава и скорости его движения, и другую, зависящую от плана и профиля пути, а также от особых условий движения.

Первую составляющую называют основным сопротивлением дви-

жению (W0), которое представляет собой сопротивление движению на

прямолинейном и горизонтальном открытом участке пути при любой скорости движения v, в том числе и при v = 0. Эта составляющая обусловлена внутренним трением в подвижном составе, сопротивлением, возникающим при взаимодействии подвижного состава и пути, а также сопротивлением воздушной среды (при отсутствии ветра).

Вторую составляющую называют дополнительным сопротивлением

движению (Wдоп); оно представляет собой сопротивление, возникающее

при прохождении уклонов и кривых. Считается, что дополнительное сопротивление не зависит от скорости движения и определяется только планом и профилем пути. Различают еще дополнительные сопротивления от воздействия ветра, при движении в тоннелях, при температурах ниже –25 ºС.

Таким образом, сопротивление движению поезда можно представить в виде

W W0 Wдоп ,

или при нормальных температурах окружающего воздуха и отсутствии ветра

W W0 Wi Wкр ,

36

где Wi – сопротивление движению от уклонов;

Wкр – сопротивление движению от кривых,

либо в удельной форме (отнесённой к единице веса подвижного состава)

Установить значение основного сопротивления движению теоретическим путем чрезвычайно сложно, так как оно зависит от многих факторов, меняющихся в процессе движения случайно или по весьма сложным закономерностям. Поэтому основное сопротивление движению определяют опытным путем при испытаниях подвижного состава на линии.

Основное сопротивление движению определяется рядом внутренних факторов и не зависит от внешних условий, поэтому для проведения замеров следует поместить транспортное средство в такие условия, которые будут соответствовать оптимальным.

Для создания оптимальных условий необходимо: исключить кривизну пути и уклоны – дорожное полотно должно быть прямым, ровным и не иметь уклонов, либо иметь маленький постоянный уклон; обеспечить температуру не ниже –25 ºС; обеспечить отсутствие ветра, т. е. проводить измерения в помещении либо в пространстве, укрытом от ветра.

В настоящее время используют ряд методов контроля сопротивления движению, выбор которых определяется местными условиями, главным образом наличием или дефицитом имеющихся площадей в профилактории. Сопротивление движению на линии определяют, непосредственно измеряя сопротивление (динамометрические методы), и косвенными методами, основанными на измерении других величин, связь которых с сопротивлением движению обусловлена законами механики. Косвенные методы могут быть применены, во-первых, при тяговом режиме равномерном и неравномерном и, во-вторых, в режиме выбега.

Наиболее известны такие методы определения удельного сопротивления движению, как метод выбега, динамометрический, тока трогания, установившегося тока, разности скоростей и др. По характеру получаемых величин сопротивления движению их можно разделить на две группы: дающие интегральную (среднюю) величину или мгновенный замер.

37

К первым можно отнести метод выбега, разности скоростей и (с некоторым приближением) метод установившегося тока и установившейся скорости. Динамометрическим методом трогания и методом тока трогания определяют мгновенные величины сопротивления движению, которые, как правило, больше средних.

Критериями оценки методов замеров сопротивления движению в условиях депо являются: обеспечиваемая ими точность, трудоёмкость, затраты на оборудование контрольных участков, требующаяся площадь контрольных участков, возможность использования её в промежутках времени между проведением контрольных замеров для ремонта

ихранения ПС. Приемлемым в условиях депо можно считать метод, который гарантирует погрешность замеров до 0,01…0,02 Н/кН, но не более 0,05 Н/кН, характеризуется малой трудоёмкостью, т. е. обеспечивает возможность проведения массовых обследований всего ПС в депо в короткое время, не требует больших затрат на оборудование контрольных участков. Контрольные участки должны занимать в депо минимальную площадь и допускать возможность использования её в промежутках между замерами сопротивления движению для проведения ремонтных работ и отстоя ПС. Для сокращения времени обследования необходимо, чтобы сопротивление движению каждой единицы ПС определялось за один проход контрольного участка.

Точность замеров сопротивления движению при любом методе контроля зависит от двух факторов:

собственной точности метода, которую определяют структура расчётных формул и точность замеров входящих в нее величин – отрезков времени, пути, скорости, сил и др.;

диапазона области естественного разброса величин сопротивления движению, характерного для рассматриваемого метода контроля и параметров контрольного участка.

Собственную точность каждого метода замеров сопротивления движению рассчитывают теоретически с использованием общих законов теории ошибок. Диапазон области естественного разброса можно определить только экспериментально. Разброс мгновенных величин сопротивления движению при контроле методом тока трогания и динамометрическим методом трогания обычно весьма велик (составляет до 100 % и более). Он определяется рядом факторов: разницей характеристик дорожного покрытия или рельсового пути от точки к точке на контрольном участке; наличием люфтов в элементах тяговой передачи

иходовых частей; зависимостью коэффициента трения от взаимного

38

расположения трущихся пар, определяемой производственными допусками изготовления и неравномерностью их износа. Сузить этот разброс можно специальным выбором участков пути, используемых для контроля сопротивления движению.

Для получения требуемой точности контроля сопротивления движению в этом случае необходимо проводить большое количество за-

меров и определять расчётное сопротивление движению wp как среднее арифметическое:

i n

wр wi / n , i 1

где п – количество произведённых замеров;

wi – значение сопротивления в i-м замере.

Для получения желательной точности (погрешности) р измерений при зоне разброса величины сопротивления движению w wmax

wmin необходимо произвести K замеров, количество которых рассчитывается по формуле w 2Kp . Пусть, например, w =

= 5 – 3 = 2 Н/кН, р = 0,01 Н/кН, тогда K = 2/(2 · 0,01) = 100. Естествен-

но, что проводить такое число замеров сопротивления движению единицы ПС нереально.

Разброс замеров сопротивления движению при контроле интегральными методами (выбега, разности скоростей) значительно ниже. Его определяют те же факторы, что и разброс мгновенных величин сопротивления движению, но в значительно меньшей степени благодаря тому, что интегрирование мгновенных величин сопротивления движению от точки к точке контрольного участка осуществляется автоматически. Исходя из этого можно сделать выводы:

точность методов, основанных на замере мгновенных величин сопротивления движению, принципиально ниже точности интегральных. Сопротивление движению методами мгновенного замера можно определять только как среднее арифметическое из ряда полученных в различных точках контрольного участка при различном положении ходовых частей;

область естественного разброса значений сопротивления движению интегральными методами при соответствующем выборе параметров контрольного участка (его длины и ровности покрытия) можно получить теоретически сколь угодно малой;

39

величину сопротивления движению ПС можно получить за один проход опытного участка только интегральным методом при соблюдении двух условий: должна быть обеспечена необходимая собственная точность метода и снижен до необходимого минимума естественный разброс опытных замеров сопротивления движению. Если р – желательная погрешность замеров сопротивления движению, то характеристики опытного участка следует подбирать так, чтобы область естественного разброса значений не превышала w ≤ Ер, где Е – некоторый коэффициент. Необходимая точность замеров обеспечива-

ется в том случае, если собственная погрешность метода рм не превы-

шает рм≤ (1 – Ер).

Рассмотрим основные методы проведения замеров сопротивления движению.

Метод выбега

Метод выбега основан на решении основного уравнения действующих на транспортное средство сил в удельной форме, которое для режима выбега имеет вид

w (1 ) agв i ,

где aв – замедление подвижного состава при выбеге, м/с2;

γ– коэффициент инерции вращающихся масс, связанных с ходовыми частями;

i – уклон контрольного участка, 0/00.

Принимая движение в режиме выбега равнозамедленным со средним замедлением aв , можно рассчитать последнее по известной

формуле, отражающей зависимость между скоростью v0 вагона в момент окончания выбега, замедлением aв , временем выбега t и длиной

выбега l:

l v0t aвt2 . 2

При выбеге до полной остановки v0 = 0 и aв t22l .

40