Разработка методики и аппаратно-программного комплекса диагностирования технического состояния электрических цепей электропоездов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Казарин, Денис Викторович

• Казарин, Денис Викторович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Казарин, Денис Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Обоснование выбора; объекта исследования.

1.2 Анализ объекта исследования.18;

1.2.1 Конструктивные и схемные особенности электрических цепей, электропоездов различных серий.

1.2.2 Неисправности электрических цепеш.

1.3 Общие положения. Анализ методов и средств диагностирования электрическихщепей электропоездов .1.

1.4: Цель работыш^задачишсследования.■.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ КАК ОБЪЕКТА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ.

211;Постановказадачг.;..:. 42'

212 Выбор диагностических признаков

2.3 Выбор контрольных точек.;.

2.4 Разработка модели электрических цепей электропоезда;.:.

2:4:1 Статическая модель. .■.,.■52;

2.4.2 Функционально-логическая модель .;..:.

2.5 Диагностическая; модель электрических цепешэлектропоезда.

2.6 Выводы

3 МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

311 Постановка задач

3.2 Экспериментальная установка для исследования режимов функционирования электрических цепей электропоездов.

3.2.1 Функциональная схема экспериментальной установки

3.2.2 Порядок работы экспериментальной установки.

3.2.3 Компьютерное моделирование экспериментальной установки.

3.214 Исследование закономерностей изменения диагностических признаков от режимов функционирования.

3.3 Методика определения токов ветвей цепей управления.

3.4 Экспериментальная установка для масштабных исследований диагностических признаков на реальных объектах.

3.4.1 Требования к экспериментальной установке.

3.4.2 Аппаратно программная база экспериментальной установки.

3.4.3 Структура экспериментальной установки.

3.5 Исследования диагностических признаков на реальных объектах.

3.6 Результатьгэкспериментальных исследований.

3.7 Выводы.

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА.ИЗ

4.1 Постановка задач.

4.2 Способ диагностирования электрических цепей электропоездов.

4.3 Вектор диагностических признаков.

4.3.1 Синтез алгоритмов диагностирования.

4.3.2 Структура и алгоритм формирования вектора)признаков.

4.4 Методика нормирования диагностических признаков.

4.5 Аппаратно-программный диагностический комплекс.

4.5.1 Аппаратное обеспечение.

4.5.2 Программное обеспечение.

4.6 Выводы.

5 ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

5.1 Постановка задач.

5.2 Реализация разработанного программно-аппаратного комплекса.

5.2.1 Конструктивное исполнение.

5.2.2 Технология диагностирования.

5.3 Внедрение и результаты применения комплекса а депо.

5.4 Технико-экономическая эффективность.

5.5 Выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ^ ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики и аппаратно-программного комплекса диагностирования технического состояния электрических цепей электропоездов»

Актуальность темы исследования. В сложившейся экономической ситуации актуальным остается вопрос обеспечения безопасности и бесперебойности функционирования железнодорожного транспорта при одновременном^ повышении качества перевозочного процесса и снижении затрат на поддержание высокого уровня надежности. Учитывая значительную изношенность основных фондов ремонтных производств и подвижного состава, в частности электропоездов, обеспечивающих отправку около 90 % пассажиров, а также дефицит высококвалифицированной рабочей силы, особую важность получает повышение качества обслуживания и ремонта, осуществляемого в депо.

Текущий уровень качества обслуживания и ремонта подвижного состава является недостаточным, что подтверждается большим числом скрытых неисправностей, обусловленных отсутствием решения проблемы наблюдения и управления техническим состоянием. Недостаточное качество обслуживания и ремонта является» причиной 80 % браков, отказов и повреждений - потенциальных источников аварий и многомиллионных потерь на железнодорожном транспорте.

Таким % образом, задача исследования, разработки и- широкого внедрения средств технического диагностирования* сложных, ответственных и наиболее повреждаемых узлов подвижного состава является актуальной и нашла отражение в «Стратегии развития- железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства № 877р от 17 июня 2008 года, и «Функциональной стратегии обеспечения гарантированной безопасности и надежности перевозочного процесса», утвержденной распоряжением ОАО «Российские железные дороги» № 987р от 29 мая 2007 года [183 - 185, 191, 212].

Обладая арсеналом средств, обеспечивающих наблюдаемость и управляемость технического состояния, можно повысить качество ремонтов^ максимально полно использовать заложенный в оборудовании ресурс, снизить издержки и ускорить реконструкцию системы, ремонта подвижного состава железнодорожного транспорта на эффективной ресурсосберегающей основе.

Диссертация выполнялась в соответствии с задачами подпрограммы развития транспортного машиностроения «СибМашТранс» в составе межрегиональной инновационной программы освоения производства высокотехнологичной продукции на предприятиях промышленного комплекса Сибирского Федерального округа «Сибирское машиностроение», утвержденной Советом при полномочном представителе Президента Российской Федерации в Сибирском Федеральном округе, Советом законодателей; Сибирского Федерального округа и Советом Межрегиональной Ассоциации «Сибирское Соглашение» 14 июля 2008 года, а. также хоздоговорных работ, проводимых ООО НПЩ«Динамика» в 2005 — 2011 гг. в рамках инвестиционных проектов ОАО «Российские железные дороги»: «Дооснащение моторвагонных депо до уровня; технического- регламента» и «Внедрение ресурсосберегающих технических средств и технологий на железнодорожном транспорте».

Цель работы — повышение:эксплуатационной готовности и производственной; технологичности электропоездов' путем разработки и внедрения системы, диагностирования технического состояния цепей управления, силовых и вспомогательных,электрических цепей электропоездов.

Достижение; поставленной цели требует решения следующих задач:

1. Провести: выбор диагностических признаков' неисправностей, исследовать их изменение в зависимости от режимов функционирования электрических цепей электропоездов, выявить режимы, обеспечивающие наибольшую различающую способность неисправностей по* выбранным диагностическим признакам.

2. Разработать математические:модели, устанавливающие связь между внешними воздействиями, диагностическими признаками и дефектами, определяющими; техническое состояние электрических цепей электропоездов.

3. Разработать методику оценки технического состояния электрических цепей электропоездов (методику диагностирования) по выбранным диагностическим,признакам, реализующие методику способы и алгоритмы.

4. Создать, аппаратно-программный комплекс и технологию его применения в технологических циклах ремонта.

5. Провести внедрение результатов работы на предприятиях ОАО «Российские железные дороги», оценить адекватность предложенных моделей и алгоритмов, эффективность применения разработанных методик, средств и технологии в условиях моторвагонных депо.

Объект исследования. Оценка технического состояния электрических цепей электропоездов различных серий на этапе профилактических ремонтов.

Предмет исследования. Закономерности изменения, переменных состояния'(токов, напряжений) при неисправностях в электрических цепях.

Методы исследования. Выбор объекта исследования проведен на основе анализа браков, отказов- и повреждений подвижного состава. Теоретические исследования- и математическое моделирование основаны на изучении схемотехники и конструктивных особенностей электрических цепей электропоездов с использованием* методов анализа аналоговых и дискретных цепей- математического аппарата* алгебры логики, методов диагностирования дискретных объектов. Анализ режимов функционирования электрических цепей проведен с помощью специализированного программного продукта для- моделирования, дискретных и аналоговых устройств Multisim® компании Electronics Workbench®, а также с помощью разработанных, метрологически аттестованных, сертифицированных и внедренных на предприятиях ОАО «Российские железные дороги» систем КОМПАКС® производства ООО НПЦ «Динамика». Обработка, результатов экспериментальных исследований производилась на ЭВМ с помощью общего и специального программного обеспечения.

Научная новизна работы заключается в следующих результатах:

1. Разработаны математические модели, описывающие связь между вектором воздействий, вектором, диагностических признаков- и дефектами, определяющими техническое состояние электрических цепей электропоездов.

2. Установлены закономерности изменения диагностических признаков неисправностей, цепей управления, силовых и вспомогательных цепей секций электропоездов в различных режимах функционирования электрических цепей.

3. Предложен принцип совместного функционально-тестового диагностирования, цепей- управления, силовых и вспомогательных электрических цепей электропоездов.

4. Синтезирована база знаний, связывающая отклонения диагностических признаков и неисправности различных элементов электрических цепей электропоездов и включающая в себя рассчитанные значения границ различия технических состояний по каждому диагностическому признаку.

Достоверность и обоснованность положений и выводов подтверждена моделированием на ЭВМ, результатами экспериментальных исследований, проведенных на действующих электропоездах, а также практическим внедрением результатов^ работы на предприятиях ОАО «Российские железные дороги». Расхождение между результатами моделирования и данными натурных экспериментов не превышает 7 %.

Практическая ценность работы заключается:

Г. В создании и внедрении системы диагностирования технического состояния цепей управления, силовых и вспомогательных электрических цепей электропоездов, включающей в себя' аппаратно-программный комплекс, позволяющий диагностировать секции' электропоездов 15 серий (ЭР2, ЭР2Р, ЭР2Т, ЭД2, ЭД2Т, ЭД4, ЭД4М, ЭД4МК, ЭТ2, ЭТ2М, ЭР9Т, ЭД9, ЭД9Т, ЭД9М, ЭД9МК), и технологию его применения в технологических циклах ремонта.

2. В повышении' эксплуатационной, готовности и производственной технологичности электропоездов, выражающейся в сокращении количества отказов на линии по причине неисправностей электрических цепей, в снижении количества и сложности операций контроля состояния и наладки оборудования электропоездов более чем в семь раз, в сокращении трудо-, энерго- и материалоемкости ремонта, обеспечивающих сокращение времени простоя секций электропоездов-на ремонте не менее чем на 30 %.

3. Предложенные методики и средства могут быть адаптированы для диагностирования технического состояния электрических цепей электропоездов других серий, а также других сложных технических систем, например, электрических цепей электровозов, тепловозов, подвижного состава метрополитена и городского наземного электрического транспорта.

Реализация' работы. Разработанная методика, реализующие ее алгоритмы и способы, а также аппаратно-программный комплекс диагностирования электрических цепей электропоездов и технология его применения внедрены на ряде предприятий ОАО «Российские железные дороги» в составе системы комплексного диагностирования КОМПАКС®-ЭКСПРЕСС-ТРЗ.

Промышленное использование результатов работы дало эффект не менее 55 тысяч рублей на. одну секцию и обеспечило рост коэффициента эксплуатационной готовности электропоездов с 0,95 до 0,97, что подтверждено материалами внедрения и использования (см. приложение).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на семинарах и заседаниях кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС) в 2006 - 2008 гг., ежегодных региональных научно-практических конференциях «Наука. Образование. Бизнес» в г. Омск в 2007 — 2009, 2011 гг., на 8-ой международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», проходившей в г. Москва в 2009 г., на 6-ой международной конференции, «Condition Monitoring and Machinery Failure Prevention Technologies» в г. Дублин (Ирландия) в 2009 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, в том числе 5 статей в s изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, получено четыре свидетельства РФ о регистрации программы для' ЭВМ, один, патент нашзобретение.

На защиту выносятся:

1. Принцип совместного функционально-тестового диагностирования, обеспечивающий одновременную оценку состояния цепей управления, силовых и вспомогательных электрических цепей электропоездов, а также реализующие его способы и алгоритмы.

2. Установленные закономерности изменения переменных состояния цепей управления, силовых и вспомогательных цепей секций электропоездов в различных режимах функционирования, электрических цепей* в том числе при наличии неисправностей.

3. Установленные закономерности между отклонениями диагностических признаков и отклонениями параметров технического состояния элементов электрических цепей секций электропоездов различных серий, а также численные значения границ различия технических состояний по каждому диагностическому признаку.

4. Структура диагностического комплекса и технология, обеспечивающие посекционную, автономную, автоматическую оценку состояния одновременно цепей управления, силовых и вспомогательных цепей секций электропоездов 15 серий едиными аппаратно-программными средствами.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 217 наименований и приложения, содержащего материалы, подтверждающие внедрение.и использования результатов работы. Основной материал изложен на 172 страницах и включает 15 таблиц и 64 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Казарин, Денис Викторович

7. Результаты работы имеют высокий экономический, технический и социальный эффект, обеспечивают повышение безопасности бесперебойности функционирования железнодорожного транспорта и являются базой для ускоренной реконструкции системы ремонта на безопасной ресурсосберегающей основе.

Автор выражает благодарность кандидату технических наук, техническому директору ООО НПЦ «Динамика» Костюкову Алексею Владимировичу за помощь и поддержку в работе над диссертацией.

- 173

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Казарин, Денис Викторович, 2011 год

1. Абрамов О.В. Об оптимальном выборе допусков на параметры технических систем / Информатика и системы управления. 2007. №1. С.87 — 91.

2. Авдеев М.М1, Гут В.А., Томчук В.И., Хряев В.А. Электропоезда переменного тока: Учебное пособие для. ПТУ: Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Транспорт. 1985. 368 с.

3. Авилов В.Д. Диагностирование тяговых электрических машин и других узлов, подвижного состава / Авилов В.Д., Харламов. В.В. // Железнодорожный транспорт. 2005. № 11. С. 16 17.

4. Автоматический контроль технического состояния электрического подвижного состава / Под ред. В.В. Привалова / Тр. ВЗИИТа. Вып. 45. М.: 1970.

5. Алябьев С.А., Горчаков Е.В., Осипов.С.И., Ридель Э.Э., Хлебников В.Н. Устройство и ремонт электровозов постоянного тока: Учебник для техн. школ ж.-д; трансп: М.: Транспорт. 1977. 464 с.

6. Аникиев И.П., Антропов B.C. Ремонт электрооборудования тепловозов: Учебник для СПТУ. М.: Транспорт. 1989. 200 с.

7. Антоненко И.Н. Автоматизация управления- ремонтом тягового подвижного состава // Локомотив. 2005. №11. С. 2 4.

8. Афанасьева Т.В. Основы визуальной алгоритмизации: Учеб. пособие для студентов спец. 5102j 5525, 5501: под ред. С.Г. Валеева. Ульяновск. 20021 70 с.

9. Банге Г., Тишлер Ф. Диагностика тягового подвижного состава // Железные дороги мира. 1987. №1. С. 22 26.

10. Беляков В.В., Бушуева М.Е. Диагностика сложных технических систем. Труды 1-го совещания^ по проекту НАТО SfP-973799 Semiconductors. Н.Новгород: ТАЛАМ. 2001. С. 63 98

11. И Беляков В.В., Бушуева М.Е., Сагунов В.И. Многокритериальная оптимизация в задачах оценки подвижности, конкурентоспособности автотракторной, техники и диагностики сложных технических систем. Н.Новгород.: Нижегород. Гос. Техн. Ун-т. 2001. 271 с.

12. Бервинов В.И. Техническое диагностирование локомотивов Текст. : учеб; пособие / В. И. Бервинов. М. : УМК МПС РФ, 1999. 188 с.

13. Биргер И. А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение. 1978. 240 с.-17414 Бобышев В.В., Шалобанов С.В. Нормированные диагностические признаки наличия и различимости одиночных дефектов / Информатика и системы управления: 2001. № 1. С. 54 59.

14. Бобышев В.В., Шалобанов С.В., Чье Е.У. Статистическое моделирование процессов диагностирования САУ/ Информатика и системы управления. 2001. № 1. С. 60-64.

15. Большая энциклопедия транспорта: В 8 т. Т. 4. Железнодорожный транспорт / Главный редактор НС. Конарев. М.: Большая, Российская энциклопедия. 2003. 1039 с.

16. Буйносов А.П., Наговицын B.C. Диагностика низковольтных цепей управления электровоза// Железнодорожный транспорт. 1996. № 9. С. 36 381

17. Булатов В.Н. Элементы и узлы информационных и управляющих систем (Основы теории и синтеза) : Учебное пособие: Оренбург. ГОУ ВПО ОРУ. 2002. 200 с.

18. Бушуева М.Е., Беляков В.В. Многокритериальная оптимизация контролепригодности сложных систем. Труды 2-го совещания по проекту НАТО SfP-973799 Semiconductors. Н.-Новгород. 2002: http://www.rf.iimi.rii/NATO/2ws/ SfP2 Bushueva.pdf

19. Вапник В Н. Восстановление зависимостей по эмпирическим данным. Mi: Наука: 1979. 448 с.

20. Вапник В.Н., Червоненкис А .Я: Теория распознавания образов. М.: Наука. 1974:416 с.

21. Володин А.И., Овчаренко С.М. Совершенствование средств и методов диагностирования локомотивов / Железнодорожный транспорт. № 11. 2005. С. 14 15:

22. Воробьев А. А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков / А.А. Воробьев, Г.А. Воробьев. М.: Высшая школа. 1966. 224 с.

23. Воронин В.В. Анализ возможности декомпозиции диагностических моделей / Информатика и системы управления. 2004. № 2 (8). С. 90 97.

24. Воронин В.В. Анализ причинно-следственных отношений на множестве возможных дефектов / Информатика и системы управления. 2001. № 1. С. 65 73.

25. Воронин В.В. Диагностирование технических объектов. Хабаровск. Изд-во Хабар, гос. техн: ун-та. 2002.

26. Воронин В.В. Полные и частичные диагностические модели / Информатика и системы управления. 2001. № 2. С.83 96.28