А.Г. Галкин - Надежность и диагностика систем

ВВЕДЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожный транспорт представляет собой сложную техническую систему. Различные отрасли (хозяйства) железнодорожного транспорта образуют подсистемы. Система электроснабжения железных дорог является одной из них. Цели функционирования подсистемы должны быть увязаны с целью функционирования железнодорожного транспорта – обеспечением перевозки грузов и пассажиров. Эффективность работы железных дорог зависит от эффективности работы всех хозяйств.

Одним из показателей эффективности функционирования технических систем является надежность. Надежность тесно связана с экономическими показателями. Выбор оптимальной надежности, как и многие другие инженерные задачи, представляет собой задачу с альтернативными условиями. Чем выше надежность, тем меньше ущерб, вызываемый отказами технических устройств. С другой стороны, для повышения надежности необходимы дополнительные затраты. Ущерб, вызываемый отказами, включает в себя две составляющие:

уменьшение дохода от коммерческого использования технического устройства или системы в течение времени отказа (коммерческий ущерб);

затраты на восстановление устройства (технический ущерб).

В свою очередь технический ущерб включает:

затраты, зависящие от числа отказов;

затраты, зависящие от времени восстановления.

Необходимо заметить, что цель функционирования технической системы реализуется в коммерческой деятельности (коммерческой эксплуатации). Например, цель функционирования системы электроснабжения железных дорог заключается в преобразовании электрической энергии, получаемой от внешних энергосистем, к виду удобному для использования тяговыми и нетяговыми железнодорожными потребителями, а также в распределении электроэнергии между ними. Потребителями электрической энергии являются все службы железных дорог. Поэтому для выбора оптимальной надежности устройств электроснабжения необходимо знать закономерности взаимодействия подсистемы электроснабжения с другими подсистемами.

Технический ущерб, как уже отмечалось, зависит от числа и длительности отказов. Поэтому для решения поставленной задачи инженер должен знать закономерности и причины изменения показателей надежности и работоспособности отдельных элементов системы электроснабжения и уметь их рассчитывать.

3

ВВЕДЕНИЕ

Полный ущерб от отказов устройств железнодорожного транспорта зависит от степени использования пропускной способности участка железной дороги. Чем больше время восстановления работоспособного состояния устройства, вызвавшего нарушение графика движения, тем больше число задержанных поездов. Кроме нарушения технологического процесса (перевозки грузов и пассажиров) отказы устройств железнодорожного транспорта могут приводить к крушениям поездов, вызывая гибель людей и экологические катастрофы. Кроме того, интенсивная эксплуатация устройств железнодорожного транспорта является причиной их ускоренного износа, старения и повышения числа отказов. Поэтому, чем выше степень использования пропускной способности, тем выше эффективность мероприятий направленных на повышение надежности.

Надежность устройств электроснабжения, как и любого технического устройства, формируется на трех этапах:

проектирование;

изготовление и монтаж;

эксплуатация.

Для повышения надежности на этапе проектирования необходимо увеличивать коэффициенты запаса прочности, использовать надежные конструкции и аппараты, более прочные материалы и различные защитные покрытия, применять методы расчетов с меньшим числом допущений и т. д.

При изготовлении, сборке и монтаже необходимо использовать технологии, обеспечивающие более высокую точность, строго соблюдать эти технологии и т. д.

На этапе эксплуатации повышение надежности технических устройств может быть достигнуто повышением технического уровня ремонтной базы, внедрением диагностики, средств сбора и обработки информации, применением более эффективных методов технического обслуживания, улучшением профессиональной подготовки кадров, занятых эксплуатацией и ремонтом и т. д.

Одним из показателей надежности является интенсивность отказов. Классическая кривая изменения интенсивности отказов в функции наработки (рис. В1) имеет три участка, соответствующих периодам приработки, нормальной работы и деградации. Отказ может произойти из-за нагрузок, превышающих расчетные (нормативные) значения, или из-за снижения прочности. Если нагрузка представляет собой стационарный процесс, то увеличение интенсивности отказов на участке приработки по сравнению с интенсивностью на участке нормальной работы объясняется снижением прочности отдельных элементов и узлов из-за несовершенства и нарушения технологии изготовления, сборки и монтажа. На этом этапе могут выявляться ошибки, допущенные при расчетах и проектировании. Иногда нагрузка может быть описана нестационарным возрастающим процессом. Например,

4

ВВЕДЕНИЕ

устройства электроснабжения в условиях развивающейся экономики проектировались на размеры движения на пятый год эксплуатации. В этом случае длительность периода наработки увеличивается. Для уменьшения времени приработки можно технические устройства подвергнуть испытаниям при повышенных нагрузках. Естественно, что снизить интенсивность приработочных отказов можно соблюдением технологии работ при изготовлении, сборке и монтаже.

Интенсивность отказов в различные периоды наработки

(t)

II – нормальная работа;

III – деградация.

Рис. В1

Надежность объекта на втором участке, соответствующем нормальной работе, когда выявлены и устранены все дефекты, определяется внезапными отказами, вызванными превышениями нагрузок над прочностью. Эти превышения могут иметь различную природу. Так объекты электроэнергетики, подвергающиеся воздействию климатических факторов, рассчитываются на нагрузки с повторяемостью один раз в пять, десять или пятнадцать лет в зависимости от уровня напряжения. Например, устройства контактных сетей электрических железных дорог должны выдерживать климатические воздействия с повторяемостью один раз в десять лет. Таким образом, уже на стадии проектирования заложена возможность возникновения отказов. Другой причиной внезапных отказов являются аварийные нагрузки. Для технических устройств к которым возможен

5

ВВЕДЕНИЕ

свободный доступ (например, воздушные и контактные сети) существенной причиной внезапных отказов могут быть акты вандализма. Для повышения надежности технических объектов на втором участке кривой интенсивности необходимо повышать коэффициенты запаса прочности. Следовательно, надежность в этом случае формируется на этапе проектирования. В системах электроснабжения железных дорог к снижению интенсивности отказов в период нормальной работы могут привести мероприятия по их усилению.

На третьем участке кривой интенсивности начинают сказываться постепенные отказы, вызванные деградационными процессами (износом, старением, разрегулировками). Именно здесь техническое обслуживание, направленное на восстановление свойств и рабочих характеристик объектов позволит снизить и даже стабилизировать интенсивность отказов, в идеальном случае, на уровне интенсивности периода нормальной работы. Проведение технического обслуживания объектов на этапах приработки и нормальной работы часто не только бесполезно, но вредно. Вмешательство в работу объекта на этих этапах не понизит интенсивности внезапных отказов, но при плохом качестве работ приведет к всплеску приработочных отказов.

Система электроснабжения включает в себя большое число разнородных объектов, работающих в различных режимах и испытывающих неодинаковые нагрузки. Разные объекты в каждый конкретный момент времени находятся на разных участках кривых интенсивностей отказов. Можно сказать, что в этом смысле техническое обслуживание направлено на поддержание постоянства общей интенсивности отказов системы. Анализ отказов по сети дорог показывает, что если исключить случайные флуктуации параметра потока отказов и монотонные изменения размеров движения, то интенсивность отказов в шестидесятых – семидесятых годах действительно была постоянной. Мероприятия по техническому обслуживанию в тот период парировали возникающие процессы деградации.

В последние годы в России идет спад производства и объемов перевозок. Для сохранения производительности труда и снижения эксплутационных затрат сокращают численность обслуживающего персонала. В отраслях железнодорожного транспорта, занимающихся в основном или только технической эксплуатацией, потребная численность эксплутационного персонала слабо зависит от размеров движения. К таким отраслям относится хозяйство электроснабжения, в котором в настоящее время проявляется процесс исчерпания ресурса многих сооружений тяговых подстанций и контактной сети. Это объясняется большими масштабами электрификации железных дорог страны по генеральному плану, принятому в 1956 году и рассчитанному на 15 лет. К 2000 году более 85 тыс. км контактной сети будут иметь срок службы 30 лет и более. Это обстоятельство требует научно-обоснованного подхода к сокращению численности кадров с учетом совершенствования технического обслуживания, укрепления

6

ВВЕДЕНИЕ

ремонтной базы и повышения квалификации инженерно-технического персонала.

Возникающая сложная задача, поддержание объектов системы электроснабжения в процессе их эксплуатации в работоспособном состоянии в условиях ограниченных ресурсов, может быть решена только с использованием теории надежности и ее составной части – теории технического обслуживания. Значительный эффект может дать переход от обслуживания по нормам к техническому обслуживанию по состоянию. Этот метод может применяться при использовании теории технической диагностики и широком внедрении средств диагностирования. Поддержание технических устройств в работоспособном состоянии обеспечивается решением следующих задач:

1.Прогнозирование изменения параметров и прочности объектов.

2.Назначение граничных полей допуска параметров.

3.Определение параметров и закономерностей изменения нагрузок и воздействий, в том числе со стороны внешних, по отношению к системе электроснабжения подсистем железнодорожного транспорта.

4.Разработка моделей надежности (отказов).

5.Сбор информации о текущем состоянии и об отказах объектов.

6.Анализ причин отказов.

7.Разработка средств и методов диагностики.

8.Выбор и расчет параметров стратегий технического обслуживания.

9.Организация работ.

Решение многих из этих задач может быть содержанием проекта системы технического обслуживания. Наличие таких проектов позволило бы более эффективно обеспечивать высокую надежность работы устройств в условиях эксплуатации.

В учебнике обобщен опыт лекций и результаты исследований, проводимых в течение многих лет на кафедре "Электроснабжение транспорта" Уральской государственной академии путей сообщения с использованием многочисленных трудов в этом направлении в различных отраслях народного хозяйства, приведенных в библиографическом обзоре. Часть изложенного материала, в первую очередь по моделям технического обслуживания и диагностики устройств электроснабжения, по информации об отказах и ее обработке, получена авторами. Все разделы дополнены примерами расчетов и программами для их выполнения на ЭВМ. В приложениях приведены сведения из разделов математики, которые необходимы для изучения содержания книги.

Нужно отметить, что теория надежности систем электроснабжения железных дорог еще далека от своего завершения. Дальнейшее развитие теории надежности устройств электроснабжения может быть достигнуто путем более широкого использования имитационного моделирования, в

7

ВВЕДЕНИЕ

первую очередь для получения законов изменения нагрузок, параметров и прочностей отдельных объектов. Возможности современных ЭВМ позволяют решать задачи большой размерности, использовать численные методы решения реализованные в пакетах прикладных программ и мощные методы расчетов (например, метод конечных элементов). Важными являются вопросы сбора обработки и хранения информации. Много нерешенных задач в технической диагностике устройств электроснабжения. Эти и многие другие проблемы могут быть плодотворным полем деятельности для наших читателей.

Учебник составлен на основе научных взглядов авторов. Мы допускаем возможность наличия ошибок, неточностей и другого мнения по содержанию. Все замечания будут приняты с благодарностью по адресу г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, УрГАПС, кафедра "Электроснабжения транспорта" или по электронной почте: basil@ac.usart.ru.

Дополнения, изменения к тексту учебника и обнаруженные опечатки можно найти на информационном сервере "Надежность электроснабжения транспорта" в Интернет по адресу: www.reliability.usart.ru.

8

1.1.1. Понятия теории надежности

Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении его работоспособного состояния.

Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Внезапный отказ - отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта.

Постепенный отказ - отказ, возникающий в результате постепенного изменения одного или нескольких параметров объекта.

Независимый отказ - отказ, не обусловленный другими отказами. Перемежающийся отказ - многократно возникающий самоустраняю-

щийся отказ одного и того же характера.

В теории надежности часто применяют понятия система и элемент, невосстанавливаемый и восстанавливаемый объект.

Система - объект, представляющий собой совокупность элементов, взаимодействующих в процессе выполнения определенного круга задач и взаимосвязанных функционально.

Элемент - объект, представляющий собой простейшую часть системы, отдельные части которого не представляют самостоятельного интереса в рамках конкретного рассмотрения.

Понятия системы и элемента относительны: объект, считающийся системой в одном исследовании, может рассматриваться как элемент, если изучается объект большего масштаба. Например, при расчете надежности системы электроснабжения участка электрической железной дороги тяговая подстанция представлена как элемент и, наоборот, при рассмотрении надежности подстанции ее рассматривают как систему.

Невосстанавливаемый (восстанавливаемый) объект - объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния не предусмотрено в нормативно технической и (или) конструкторской (проектной) документацией.

Пример: невосстанавливаемый объект - диодный вентиль входит в состав восстанавливаемого объекта - выпрямительного агрегата.

1.1.2. Подходы к расчетам надежности

Различают два подхода к расчетам надежности: параметрический и непараметрический.

Параметрический подход основан на использовании моделей отказов нагрузка - прочность и параметр - поле допуска. Применение таких моделей возможно тогда, когда имеется информация о закономерностях

10