Современные методы диагностирования электрических цепей электропоездов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕПАРТАМЕНТ ГОРОДА МОСКВЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Города Москвы

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ КОЛЛЕДЖ №52

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

На тему:

«Современные методы диагностирования электрических цепей электропоездов»



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

I. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

1.1 Область применения систем диагностирования электрических цепей и электропоездов

1.2 Классификация систем диагностирования электрических цепей и электропоездов

1.3 Современные системы диагностирования электрических цепей и электропоездов

II. ОЦЕНКА СИСТЕМ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ И ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ В ДЕПО

2.1. Оценка систем диагностирования электрических цепей и электропоездов в депо

III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА

IV. ОХРАНА ТРУДА

V. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

VI. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

VII. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ И ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ



ВВЕДЕНИЕ

Я, Иванов Сергей Николаевич, хочу описать в своей теме дипломного проекта «Современные методы диагностирования электрических цепей электропоездов» область применения этих методов диагностики, хочу описать классификацию методов диагностирования электрических цепей, оценку и качество систем диагностирования, а также усовершенствование методов диагностики электрических цепей электропоездов.

Измерение тока и напряжения осуществляется в цепях постоянного, переменного токов широкого диапазона частот и импульсных. Наиболее высокую точность измерений получают в цепях постоянного тока. При измерениях в цепях переменного тока точность измерений снижается с повышением частоты; здесь кроме оценки среднеквадратичного, средневыпрямленного, среднего и максимального значений требуется наблюдение формы исследуемого сигнала и знание мгновенных значений тока и напряжения. Измерители тока и напряжения независимо от их назначения должны при включении не нарушать режима работы цепи измеряемого объекта; обеспечивать малую погрешность измерений, исключив при этом влияние внешних факторов на работу прибора, высокую чувствительность измерения на оптимальном пределе, быструю готовность к работе и высокую надежность. Выбор приборов, выполняющих измерения тока и напряжения, определяется совокупностью многих факторов, важнейшие из которых: род измеряемого тока, примерный диапазон; форма кривой измеряемого тока (напряжения); мощность цепи, в которой осуществляется измерение; мощность потребления прибора; возможная погрешность измерения. Если необходимая точность измерения, допустимая мощность потребления и другие требования могут быть обеспечены амперметрами и вольтметрами электромеханической группы, то следует предпочесть этот простой метод непосредственного отсчета. В маломощных цепях постоянного и переменного токов для измерения напряжения и тока обычно пользуются цифровыми и аналоговыми электронными вольтметрами. Если необходимо измерить напряжения с более высокой точностью, следует использовать приборы, действие которых основано на методах сравнения, в частности, на методе противопоставления. Измерение электрических величин, таких, как напряжение, сопротивление, сила тока, мощность. Измерения производятся с помощью различных средств - измерительных приборов, схем и специальных устройств. Тип измерительного прибора зависит от вида и размера (диапазона значений) измеряемой величины, а также от требуемой точности измерения. В электрических измерениях используются основные единицы системы СИ: вольт (В), ом (Ом), фарада (Ф), генри (Г), ампер (А) и секунда (с).

Электрическое измерение - это нахождение (экспериментальными методами) значения физической величины, выраженного в соответствующих единицах (например, 3 А, 4 В). Значения единиц электрических величин определяются международным соглашением в соответствии с законами физики и единицами механических величин. Поскольку "поддержание" единиц электрических величин, определяемых международными соглашениями, сопряжено с трудностями, их представляют "практическими" эталонами единиц электрических величин. Такие эталоны поддерживаются государственными метрологическими лабораториями разных стран. Например, в США юридическую ответственность за поддержание эталонов единиц электрических величин несет Национальный институт стандартов и технологии. Время от времени проводятся эксперименты по уточнению соответствия между значениями эталонов единиц электрических величин и определениями этих единиц. В 1990 государственные метрологические лаборатории промышленно развитых стран подписали соглашение о согласовании всех практических эталонов единиц электрических величин между собой и с международными определениями единиц этих величин. Электрические измерения проводятся в соответствии с государственными эталонами единиц напряжения и силы постоянного тока, сопротивления постоянному току, индуктивности и емкости. Такие эталоны представляют собой устройства, имеющие стабильные электрические характеристики, или установки, в которых на основе некоего физического явления воспроизводится электрическая величина, вычисляемая по известным значениям фундаментальных физических констант. Эталоны ватта и ватт-часа не поддерживаются, так как более целесообразно вычислять значения этих единиц по определяющим уравнениям, связывающим их с единицами других величин.

I. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

1.1 Область применения систем диагностирования электрических цепей и электропоездов

Электрические аппараты на тяговом подвижном составе относятся к узлам низкой надёжности, поэтому необходимость в их диагностировании является важной задачей при разработке и внедрении систем диагностирования. Следует отметить, что многие электрические аппараты обладают низкой контролепригодностью, особенно для встроенных средств контроля, в связи с этим они требуют большого количества разнотипных датчиков и преобразователей. Поскольку на локомотивах, а особенно на электровозах, имеется большое количество электрических аппаратов, то необходимо иметь много контрольных точек, стыковочных узлов и тестовых сигналов, что усложняет средства контроля. Диагностические комплексы электроподвижного состава : учеб. пособие / Я. Ю. Бобровников, А. Е. Стецюк. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2012. - 94 с. : ил.

Для диагностирования электрических аппаратов применяют переносные, бортовые и стационарные средства. Часть аппаратов, например, таких, как аппараты защиты, предпочтительнее диагностировать в процессе испытания и настройки, а коммутационные аппараты - при техническом обслуживании, прибегая к стационарным средствам. Большую достоверность диагностирования следует ожидать от встроенных средств, так как с любого аппарата в процессе работы можно снять самую объективную информацию, учитывающую влияние всех факторов. Поэтому сочетание встроенных и стационарных средств контроля является наиболее оптимальным вариантом при разработке систем технического контроля. Особенно важное значение имеет наличие на локомотиве постоянных средств контроля за состоянием цепей управления, обеспечивающих безотказную работу локомотива в условиях эксплуатации. Это даёт возможность быстро отыскать отказ в схеме локомотива и освободить перегон. Если на обычном локомотиве без средств технического контроля возникает неисправность в цепях управления, то для её отыскания необходимо иметь простейшие средства, такие, как лампочка-прозвонка или омметр, а у работника должен быть психологический фактор уверенности. Поэтому для быстрого обнаружения места отказа необходимо на локомотивах применять быстродействующие автоматизированные средства технического контроля. Электрические аппараты можно подразделить на аппараты, подлежащие диагностированию стационарными средствами контроля, и на аппараты, которые необходимо диагностировать встроенными средствами. Электрические аппараты на локомотиве, несмотря на их большое разнообразие, имеют много общих параметров, которые легко поддаются измерению и способствуют внедрению автоматизированных средств контроля. К таким параметрам относятся: сопротивление электрической изоляции, качество электрического контакта, активные сопротивления обмоток, контактное нажатие и др. При выборе диагностических параметров необходимо выполнить исследовательские работы, эксплуатационные испытания и расчёт надёжности. Основу таких исследований составляет изучение условий эксплуатации и закономерностей развития отказов. На основе теории вероятности и математической статистики выбирают систему диагностических параметров, методику диагностирования и разрабатывают средства диагностирования по группе аппаратов и силовых цепей. Ключевой задачей является разработка и выбор датчиков для снятия информационных сигналов и преобразования их в форму, удобную для передачи на средства обработки полученной информации. Датчики должны обеспечивать точность измерений, иметь небольшие размеры, высокую помехоустойчивость и надёжность. Такими свойствами обладают датчики, построенные на основе полупроводниковых элементов. Силовые контакторы. В процессе эксплуатации силовые контакторы подвергаются воздействию сил вибрации, колебаниям температуры и влажности окружающей среды, а также процессу гашения электрической дуги при размыкании контакта. Экспериментами установлено, что во время гашения электрической дуги износ контактов с некоторыми допусками можно определить по формуле (1):

д = (C1 + С2)/n , (1)

где С1, С2 - коэффициенты пропорциональности износа контактов при включении и выключении контактора соответственно;

n - число включений контактора.

Необходимо отметить, что износ контактов при выключении контактора происходит значительно интенсивнее, чем при включении. К тому же при определении предельного износа необходимо учитывать материал контактов, их форму, особенности системы дугогашения, параметры кинематической системы, динамику его работы и электрические параметры. Всё это позволяет выбрать наиболее информативный параметр, каким является переходное сопротивление в зоне контакта Rпер. Со снижением качества контакта увеличивается переходное сопротивление, а следовательно, и падение напряжения на контакте при большом токе. При этом происходит рост температуры в зоне контакта с последующим его перегревом и оплавлением. В этом случае возникает другой диагностический параметр, который определяет качество контакта и метод его определения. Нагревание зоны контакта сопровождается выделением инфракрасных лучей, которые можно улавливать специальными приборами, называемыми болометрами. Любой силовой коммутационный аппарат имеет систему приводов, которая со временем теряет свои первоначальные параметры и приводит к нарушению нормального функционирования контактора. Это является в снижении контактного нажатия, времени срабатывания, а также в нарушении очерёдности замыкания групповых контакторов.

Техническая диагностика - это отрасль знаний, включающих в себя теорию и методы определения технического состояния объекта диагностирования. Диагноз (от греч. diagnosis) - распознавание, определение. Техническая диагностика решает три типа задач. К первому типу относятся задачи по определению состояния, в котором объект находится в настоящее время - установление диагноза. Задачами второго типа являются задачи по предсказанию состояния, в котором окажется объект в некоторый момент времени - задачи прогноза. К третьему типу относятся задачи определения состояния, в котором находился объект в некоторый момент в прошлом- задачи генеза. Техническое диагностирование тягового подвижного состава сопряжено с высокой трудоёмкостью, это обусловлено сложностью его конструкции, интенсивностью эксплуатации и повышению требований к надёжности и безопасности, что не позволяет интуитивным и ручным способом определить его техническое состояние. Поэтому применение специализированных средств диагностирования даёт возможность достоверно определить техническое состояние локомотива. В основные задачи диагностирования входят: проверка исправности объекта, его работоспособности, правильности функционирования и поиск неисправностей. Решение этих задач возможно только в том случае, когда диагностирование проводится на трех стадиях:

· производства;

· эксплуатации

· ремонта объекта.

В настоящее время на железнодорожном транспорте неразрушающим контролем занято более 14 тыс. работников различного уровня квалификации (от инженеров до рабочих). В эксплуатации находится около 10 тыс. дефектоскопов различных типов.

Ежегодно контролируется более 4,5 млн. км рельсового пути; 2,5 млн. сварных стыков рельсов, 4,5 млн. деталей и узлов подвижного состава; предотвращается более 70 тыс. потенциально возможных изломов ответственных узлов технических объектов пути и подвижного состава. Обнаружение дефектов средствами неразрушающего контроля (НК) составляет 99,3-99,7 %.Действующие системы НК при ремонте подвижного состава позволяют обнаруживать множество опасных дефектов, предотвращая тем самым поступление дефектных деталей в эксплуатацию. Однако большая номенклатура дефектоскопов с ручным сканированием и высокая трудоемкость контроля снижают эффектность дефектоскопирования.

Системы НК должны включать модульный ряд механизированных и автоматизированных средств комплексного контроля, обеспечивающих выявление внутренних дефектов деталей, ремонтируемых по безразборной технологии. Они должны обеспечивать обнаружение опасных дефектов и производить оценку накопленной усталости конструкций (боковых рам и надрессорных балок тележек, колесных пар). Работа в этой области проводится по четырем важным направлениям: разработка методов и средств НК и технической диагностики (ТД), разработка единой системы контроля объектов, совершенствование диагностических технологий и организационное обеспечение НК и ТД. При создании технических средств НК и ТД реализован переход от ручного сканирования к механизированному и автоматизированному, разработаны эксплуатационно-технологическая документация и программное обеспечение, позволившие поднять на качественно новый уровень техническое обслуживание средств технической диагностики, обеспечить рабочие места нормативно-технической документацией, контрольными и стандартными образцами, создать благоприятные условия для работы операторов-дефектоскопистов, подготовки и повышения квалификации кадров в созданных на железных дорогах лабораториях и учебных центрах.

Создание систем технического диагностирования является составной частью комплекса работ по обеспечению качества функционирования машин и механизмов. Основная цель технического диагностирования состоит в организации эффективных процессов определения технического состояния тягового подвижного состава. В зависимости от задач диагностирования локомотивов применяют аппаратурные или программные средства, встроенные или внешние технические средства, реализующие разработанный алгоритм диагностирования. При исследовании, разработке и реализации процессов технического диагностирования локомотивов решается и другая задача, связанная с разработкой и реализацией процесса управления как всего целого. Наряду с перечисленными задачами решаются и первоочередные - изучение физических свойств объектов и их неисправностей, построение математических моделей объектов и моделей неисправностей, анализ модели объекта с целью получения данных, необходимых для построения алгоритмов диагностирования. Следующую группу образуют задачи, связанные с разработкой принципов построения, экспериментальным опробованием и промышленным внедрением технических средств диагностирования. Классификация основных предметов исследований технической диагностики рисунок 1.1

Рисунок 1.1 Структурная схема классификации основных задач технического диагностирования

Техническая диагностика изучает методы, определяющие действительное состояние технических объектов, в отличие от теории надёжности, которая занимается изучением и использованием для расчётов средневероятностных статистических показателей, характеризующих технические объекты. Существуют следующие виды систем технического диагностирования:

- системы тестового диагностирования. Сигнал проверки формируется в блоках системы диагностирования и по каналам передачи информации подаётся на входы объекта диагностирования. Тестовые воздействия могут подаваться на основные входы объекта, (т.е. на те входы, которые используются для входа или выхода рабочих сигналов) и дополнительные, используемые специально для целей диагностирования (рисунок 1.2 а);

- системы рабочего диагностирования. На основные входы объекта диагностирования поступают рабочие воздействия в соответствии с его рабочим алгоритмом функционирования, которые, как правило, не могут выбираться из условий эффективной организации процесса диагностирования (рисунок 1.2 б);

- системы комбинированного диагностирования, когда используются и тестовые, и рабочие воздействия, особенно в сложных многофункциональных объектах, которыми являются электровоз и тепловоз.



Рисунок 1.2. Структурные схемы систем тестового (а) и рабочего (б) диагностирования:

БУ- блок управления; ИВ- источник воздействия; ФМ- физическая модель; ИУ- измерительное устройство; УС- устройства связи объекта диагностирования ОД с системой диагностирования СД;БРР- блок расшифровки результатов диагностирования.

Ответы объекта на тестовые или рабочие воздействия во всех видах систем диагностирования поступают на входы средств диагностирования. Ответы объекта могут сниматься с основных выходов (т.е. с тех выходов, которые используются объектом по его назначению) и с дополнительных (специально предназначенных для диагностирования). Эти все выходы представляют собой контрольные точки объекта. Для реализации алгоритма диагностирования средства диагностирования должны иметь источники воздействий (в системах тестового диагностирования), измерительные устройства, устройства связи и обработки информации. Цель анализа результатов проверок - установить диагноз. Результаты проверок представляются в виде значений сигналов в контрольных точках, а результаты диагностирования должны быть представлены в другой, более удобной для практического использования форме. В простейшем случае данные диагностирования или их расшифровка представляют собой результаты сравнения значений сигналов в контрольных точках с заданными эталонными значениями этих сигналов. Операцию расшифровки полученных сигналов можно проводить с использованием вычислительных устройств или автоматизированных схем. Средства, которые сопоставляются с информацией об объекте, хранящейся в его физической модели, и с фактическими результатами элементарных проверок, которые вырабатывают сигнал «результаты диагностирования», называются блоками расшифровки результатов. Как и физическая модель объекта, блок расшифровки результатов может быть реализован различными способами и средствами - это зависит от задач и характеристик конкретных систем диагностирования. Средства диагностирования должны иметь тот или иной носитель алгоритма диагностирования. Носителем жёстких или редко изменяемых алгоритмов диагностирования обычно является аппаратура, конструктивно объединённая с остальной аппаратурой диагностирования. Для задания сменных алгоритмов диагностирования, как правило, применяются стандартные программные носители - интегральные микросхемы. Облик современной аппаратуры определяется рядом существенных факторов: элементной базой; схемотехникой; структурой и методами построения. Всё это существенно сказывается на средствах диагностирования и на выборе контрольно-проверочной аппаратуры. Достижение большей точности, увеличение объёма обработки данных, повышение удобства представления результатов диагностирования и расширение функциональных возможностей приборов использования различных режимов работы в системах диагностирования позволит широко использовать цифровые методы решения задач диагностирования. Устройства обработки аналоговых сигналов всё больше вытесняются устройствами обработки и представления сигналов в цифровой форме. Для этого в средствах технического диагностирования широко используется микропроцессорная техника. Введение в состав приборов вычислительно-управляющих устройств, хотя и усложнило их структуру, зато значительно увеличило технические возможности: объём данных, подлежащих сбору и обработке, рост числа каналов, в которых накапливается информация, повышение количества параметров сигналов, поступающих от датчиков. При построении современной аппаратуры широкое распространение получил магистрально-модульный метод, в соответствии с которым измерительные приборы компонуются из конструктивно завершённых и совместимых друг с другом элементов или модулей, которые в свою очередь информационно объединяются через специальные системы связи (интерфейсы). Значительный объём электронных устройств в системах диагностирования реализуется на больших интегральных схемах (БИС), поэтому для обеспечения надёжной и безотказной работы приборов и быстрой локализации дефектных элементов необходимо осуществлять периодическое тестирование (самодиагностирование) этих БИС как автономно, так и в составе аппаратуры диагностирования. В первую очередь это относится к микропроцессорам, оперативным и постоянным запоминающим устройствам, операционным усилителям, аналого-цифровым и цифроаналоговым преобразователям и другим элементам и блокам. Существенную роль в системах диагностирования играют датчики.

1.2 Классификация систем диагностирования электрических цепей и электропоездов

Основная задача технического диагностирования состоит в организации эффективных процессов определения технического состояния различных, особенно сложных, многокомпонентных объектов. Под техническим состоянием объекта понимают совокупность свойств объекта, установленных технической документацией и подверженных изменению в процессе эксплуатации. Процесс определения технического состояния объекта с определённой точностью называется техническим диагностированием. Контроль технического состояния - это определение вида технического состояния. При одном и том же объективно существующем техническом состоянии изделие может быть работоспособным для одних условий эксплуатации и неработоспособным для других. Поэтому номенклатура свойств изделия, включаемая в техническую документацию, должна содержать диагностические параметры, достаточные для проведения тех видов диагностирования, которые требуются в условиях эксплуатации для проверки исправного и работоспособного состояния объекта, его правильного функционирования и поиска неисправностей с 3 Диагностические комплексы электроподвижного состава : учеб. пособие / Я. Ю. Бобровников, А. Е. Стецюк. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2012. - 94 с. : ил.заданной глубиной. Последняя определяется числом диагностических (контролируемых) параметров, определяющих надёжность изделия. Чем больше контролируемых параметров используется при диагностировании, тем глубже и полнее будет диагностирование. Полнота технического диагностирования - характеристика, определяющая возможность выявления отказов (неисправностей) в объекте при выбранном методе его диагностирования (контроля). Глубина поиска места отказа (неисправности) характеристика, задаваемая указанием составной части объекта, с точностью до которой определяется место отказа (неисправности).

К средствам диагностирования относится: аппаратура - различного рода датчики, преобразователи, измерительные и специализированные приборы, пульты, стенды, вычислительные устройства и др. Системой диагностирования называется совокупность средств, объектов исполнителей, необходимых для проведения диагностирования по правилам, установленным в технической документации, которая должна быть обязательной составной частью системы планово-предупредительного ремонта тягового подвижного состава железных дорог.

Системы технического диагностирования предназначаются для: проверки исправности; проверки работоспособности; проверки правильного функционирования; поиска дефектов. Системы технического диагностирования могут быть классифицированы по ряду признаков, определяющих их назначение, задачи, структуру и состав технических средств:

- по степени охвата объекта диагностирования системы технического диагностирования могут быть:

· локальными

· общими

С помощью локальных систем решается одна или несколько из вышеперечисленных задач.

Общие системы технического диагностирования решают все поставленные задачи;

- по характеру взаимодействия средств диагностирования с объектом диагностирования системы технического диагностирования подразделяются на:

· системы рабочего диагностирования, в которых информация о техническом состоянии объекта поступает в процессе его нормального функционирования;

· системы тестового диагностирования, когда информация о техническом состоянии объекта поступает в процессе подачи на объект специальных тестовых сигналов;

- по используемым средствам системы технического диагностирования можно подразделить на:

· системы с универсальными средствами диагностирования и контроля объектов различных типов; системы со специализированными средствами (стенды, имитаторы и др.);

· системы с внешними средствами, расположенными на постах диагностирования, где связь с объектом диагностирования осуществляется через стыковочные узлы;

· системы со встроенными средствами диагностирования, составляющими единое целое с объектом контроля;

- по степени автоматизации системы технического диагностирования можно подразделить на:

· автоматические, в которых обработка и получение информации осуществляются без участия человека по заранее разработанной программе;

· автоматизированные, в которых получение и обработка информации осуществляются с применением средств автоматизации и участием человека;

· ручные (неавтоматизированные), в которых получение и обработка информации осуществляются человеком-оператором.

Представим структурную схему классификации средства диагностирования (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 Структурная схема классификации средств диагностирования

диагностирование электрический цепь электропоезд

Системы технического диагностирования должны обеспечивать полное выполнение алгоритма диагностирования: предупреждать постепенные отказы; выявлять неявные отказы; осуществлять поиск неисправных узлов, блоков, сборочных единиц и локализовать место отказа. Под диагностическим параметром понимается параметр, изменение которого приводит либо к физическому отказу, либо к увеличению интенсивности процесса накопления повреждений в деталях локомотива.

Количество и набор диагностических параметров определяется исходя из заданной глубины диагностирования. Увеличение количества диагностических параметров приводит к усложнению средств диагностирования и их удорожанию.

Для диагностирования технического состояния локомотивов, их систем, узлов и агрегатов используются различные методы. Многообразие методов диагностирования обусловлено в основном двумя причинами: сложностью систем диагностирования, определяемой сложностью структуры локомотивов как объекта диагностирования и разнообразием задач технического диагностирования, вытекающих из требований, предъявляемых к обслуживанию и ремонту локомотивов. Методы диагностирования локомотивов различаются в зависимости от комбинации признаков, характеризующих особенности структуры и взаимодействия трёх основных частей системы технического диагностирования: объекта диагностирования, системы сбора, преобразования и передачи информации и системы обработки, накопления и отображения результатов диагностирования (рисунок 1.4).



Рисунок 1.4 Структурная схема методов диагностирования

Виброакустические методы диагностирования. Эти методы диагностирования получают широкое распространение в локомотивном хозяйстве, так как не требуют разборки агрегатов и узлов локомотивов.

Методы основаны на процессах, возникающих в узлах трения и сопряжения во время рабочего режима. Работа узлов, как правило, сопровождается шумами и колебаниями, по которым обслуживающий персонал определяет техническое состояние объекта, вслушиваясь в работу каждого узла. Вибрация механизма - его реакция на действие приложенных возмущающих сил. Обычно на механизмы одновременно воздействует несколько различных сил, приводящих его в такое состояние, когда нарушается равновесие, возникают посторонние шумы, удары, усиливается вибрация. Причинами неисправностей могут быть максимальные перемещения, скорости или ускорения вибрации, максимальные значения деформации, напряжения или усилия. В процессе работы узла неисправность даёт о себе знать усиленной вибрацией или колебаниями. Различные дефекты имеют колебания разной частоты. Существуют несколько причин, вызывающих колебания механизма. Одна из них связана с неуравновешенностью движущихся деталей. Она вынуждает механизмы колебаться как единое целое относительно положения равновесия. Эти колебания характеризуются низкими частотами, сравнительно большими амплитудами перемещения и малыми ускорениями. Зависимость частоты вибрации от скоростного режима механизма является характерным признаком этого вида колебаний, позволяющим их легко обнаружить и выделить. Основная частота вибрации механизма равна частоте вращения вала, на котором находится несбалансированная масса. Амплитуда вибрации пропорциональна квадрату угловой скорости вращения вала и зависит от массы механизма и жёсткости крепления его к основанию.

Вторым источником колебаний механизма являются соударения его деталей, вызванные увеличенными зазорами. Эти колебания характеризуются более высокими частотами колебаний, малыми амплитудами смещения и значительными ускорениями. Чаще всего детали и узлы испытывают простые синусоидальные колебания, которые характеризуются тремя связанными между собой величинами: колебательными смещениями x(t), скоростью V(t) и ускорением a(t). Если колебание имеет форму чисто поступательного движения тела вдоль только одной оси, то мгновенное значение каждой из её координат называется перемещением и определяется по формуле (2):

х = Xmax Sin (2р/T)t = Хтах Sin рft, (2)



где Xmax - амплитуда колебательного смещения;

Т - период колебаний;

f = 1/T - частота колебаний;

t - текущее значение времени.

Скорость V(t) и ускорение a(t) гармонического колебания находятся дифференцированием уравнения перемещения х во времени t и определяются по соотношению (3)

V = dx/(- dt) = щXmаx Cosщt= Vmаx Cosщt, (3)

где Vmаx=щXmаx;

а = dv/dt = -щ Xmаx Sinщt = Amax Sin(щt+ р),

где Amax = щ Xmаx - амплитуда колебаний.

Появление отклонений в работе узлов и механизмов приводит к изменению периодичности колебаний. Они становятся иногда непредсказуемыми и имеют случайные величины. Для получения полных характеристик таких колебаний необходимо вести постоянное наблюдение с последующими записями информации и результатов её обработки.

Поэтому при наличии набора различных колебаний в узле можно с помощью датчиков виброколебаний и фильтров частот определить степень износа той или иной детали (рисунок 1.5). Если раньше техническое состояние определяли с помощью стетоскопа или простой палочки, один конец которой приставляли к корпусу узла, а другой - брали в зубы, получая при этом довольно точную информацию, то посредством современных вибродатчиков с элементами электроники и микропроцессорными устройствами можно получить наиболее полную и достоверную информацию за небольшой промежуток времени.



Рисунок 1.5 Структурная схема виброизмерительного устройства: 1-датчик виброколебаний; 2-предварительный усилитель сигнала.

1.3 Современные системы диагностирования электрических цепей и электропоездов

диагностирование электрический цепь электропоезд

Распределенная телеметрическая подсистема диагностики компьютерной электрической централизации.

Одним из приоритетных направлений в области развития станционных систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) становится внедрение компьютерных систем электрической централизации (ЭЦ). Помимо основных функций управления перевозочным процессом, применение средств компьютерной техники позволяет реализовать в таких устройствах информационно-аналитические подсистемы.

Подсистема технической диагностики собственного компьютерного оборудования и станционных СЖАТ - одна из основных подсистем релейно-процессорной централизации на базе микро-ЭВМ и программируемых контроллеров ЭЦ-МПК. Основные функции, присущие такой подсистеме, позволяют повысить отказоустойчивость станционных устройств, информированность обслуживающего и эксплуатационного персонала на различных вертикалях управления, предупредить отказы, характер проявления которых не носит случайный характер.

Важность проблемы обеспечения устойчивой и безотказной работы станционных устройств СЖАТ не подлежит сомнению. Следовательно, стратегия дальнейшего развития должна быть направлена на диагностирование работоспособности как компьютерного оборудования современных устройств ЭЦ, так и консервативных станционных устройств СЖАТ .

На данном этапе развития технических решений ЭЦ-МПК подсистема диагностики (рисунок 3.1) включает в себя аппаратно-программные средства для измерения напряжения фидеров питания на станции, тока перевода стрелки, напряжения на путевом элементе приемника фазочувствительной рельсовой цепи, параметров сигнального тока на входе путевого приемника в тональных рельсовых цепях.

Рисунок 1.6 Структурная схема ЭЦ-МПК

Однако для проведения полноценного прогнозирования отказов устройств ЭЦ подсистема диагностики требует дальнейшего увеличения числа диагностических параметров, получаемых с объекта контроля и расширения функциональных возможностей. Например, в фазочувствительной рельсовой цепи необходимо также измерять напряжение на питающем конце рельсовой цепи и угол сдвига фаз между напряжениями путевого и местного элементов приемника - важного диагностического параметра.

Для реализации поставленных задач специалистами УрГУПС и ПГУПС на основе аппаратно-программных средств комплекса технических средств управления и контроля КТС УК ЭЦ-МПК принята распределенная структура построения подсистемы диагностики, при которой измерительные устройства и модули аналоговой коммутации размещаются в релейном помещении поста ЭЦ в непосредственной близости от объекта диагностирования и производят аналогово-цифровое преобразование измеряемой величины с предварительной ее обработкой. В качестве информационно-управляющего канала связи с КТС УК используется цифровой интерфейс стандарта RS-485, применяемый как основной канал обмена информацией с периферийными устройствами в системе ЭЦ-МПК. Функциональная структура интегрированной подсистемы диагностики приведена на (рисунок 3.2)



Рисунок 1.7 Функциональная схема подсистемы диагностики ЭЦ-МПК

Необходимо учитывать, что подсистема диагностики не обеспечивает безопасность движения поездов, а косвенно ее повышает, однако схемотехнические решения по увязке с исполнительными схемами станционных СЖАТ, должны быть проанализированы и сертифицированы соответствующими органами на предмет безопасного влияния на логику работы схем ЭЦ и электромагнитную совместимость по требованиям ОСТа и ГОСТа.

В состав измерительных приборов (ИП) подсистемы диагностики ЭЦ-МПК входят: прибор ДАИ-8; прибор RIO-7017F; устройство нормализации сигналов УНС-П, УНС-4; устройство коммутации аналоговых сигналов АК; источник опорного напряжения И0Н-500х2.

Диагностический аналоговый интерфейс ДАИ-8 предназначен для измерения параметров аналогового сигнала фазочувствительных рельсовых цепей (ФРЦ) и тональных рельсовых цепей (ТРЦ) третьего и четвертого поколений по восьми дифференциальным каналам (8*2 точек подключения).

ДАН, построен на основе сигнального процессора ADSP-2189M и использует алгоритмы цифровой обработки сигналов для получения измеряемых диагностических параметров. В тональных рельсовых цепях измеряются: частота сигнала в цепи; амплитуда сигнала; амплитуда шума, в паузе между импульсами; период модуляции; длительность импульса.

В фазочувствительных рельсовых цепях измеряются: напряжение на путевом элементе приемника; напряжение питания (лучевое напряжение) рельсовой цепи; угол сдвига фаз между напряжениями местного и путевого элементов приемника рельсовой цепи.

Прибор RIO-7017F предназначен для диагностирования формы и напряжения каждого фидера питания, просадок, бросков напряжения, измерения тока стрелки, фиксации формы кривой тока при переводе стрелки. RIO-7017F представляет собой модуль восьмиканального аналого-цифрового дельта-сигма преобразователя. RIO-7017F работает совместно с устройством нормализации сигналов УНС-П.

УНС-П состоит из восьми прецизионных выпрямителей, специализированных для конкретных источников сигналов станционных электропитающих панелей. УНС-4 содержит входные преобразователи сигналов ФРЦ и ТРЦ и может применяться совместно с внешними измерителями (ДАИ-8, аналого-цифровой преобразователь контроллера КТС УК) или самостоятельно, используя встроенный модуль аналого-цифровой обработки. УНС-4 располагается на одном из центральных стативов РЦ (лучевая организация структуры) на месте верхней клеммы.

Для измерения параметров сигнала в рельсовых цепях с количеством подключений более восьми и сопротивления изоляции кабельных сетей используются устройства коммутации аналоговых сигналов АК, обеспечивающие подключения точек измерения РЦ и кабельных сетей к УНС-4. АК устанавливаются вместо одной верхней клеммы статива (кроссового статива). Модуль аналогового коммутатора содержит защитные резисторы номиналом не менее 51 кОм в каждом подключаемом проводе для исключения влияния АК и УНС-4 на аппаратуру рельсовых цепей и кабельных сетей. При подключении рельсовых цепей непосредственно к УНС-4 или ДАИ-8 эти резисторы необходимо установить на верхних клеммах статива. АК имеет 4 аналоговых выхода, которые обвязываются с соответствующими выходами АК других стативов рельсовых цепей таким образом, чтобы сформировать 2, 4, 6, 8 или более независимых аналоговых каналов, которые подключаются через УНС-4 к ДАИ-8 (к внутреннему измерителю в УНС-4).

Точками подключения АК (УНС-4) служат выводы измерительной панели статива или нижние клеммы кроссового статива. Сигналы со всех точек подключения статива собираются и на АК. Для измерения питающего напряжения в РЦ с питающим трансформатором АК целесообразно установить на кроссовом стативе. Подключение цепей луча питания (при лучевом питании) для телеизмерений осуществляет АК, расположенный во вводной питающей панели.

Количество УНС-4 и ДАИ-8 определяется ограничениями длин кабеля обвязки выходов аналоговых коммутаторов и определяется на этапе проектирования. На стативе, где установлен УНС-4, собираются сигналы с аналоговых выходов АК стативов РЦ. Соединения между УНС-4 и АК выполняются кабелем «витая пара» FTP-5E.

Разработаны два типа АК на четыре или на две изолированных группы:

АК-3Д4 предназначен для организации четырех измерительных групп по три дифференциальных канала - используется для телеизмерений параметров.

АК-6Д2 предназначен для организации двух измерительных групп по шесть дифференциальных каналов с измерением напряжения и сопротивления изоляции.

Источник опорного напряжения ИОН-500х2 предназначен для формирования постоянного напряжения 500 В по двум каналам измерения сопротивления изоляции кабельных сетей и группы гальванически изолированных электрических цепей. Сопротивление изоляции измеряется методом амперметра-вольтметра.

Для измерения напряжения фаз фидеров питания в панели питания ПВ1-ЭЦК используются понижающие трансформаторы, устанавливаемые в панели. Для измерения напряжения фаз фидеров в панели питания ПВ2-ЭЦ необходимо дополнительно установить шесть понижающих трансформаторов СТ-5 или аналогичных, на первичную обмотку которых подается напряжение каждой фазы двух фидеров, а измеряемое напряжение снимается с выводов вторичной обмотки. Для измерения напряжения фаз фидеров в панели питания ПВ-ЭЦК используются реле напряжения полупроводниковые РНП, уже установленные в панели.

Измерение тока приводов стрелок производится подключением RIO-7017F через УНС-П к клеммам, предназначенным для подключения выносного амперметра дежурного по станции.

Выбор конфигурации комплекса измерительных средств определяется на этапе проектирования подсистемы диагностики.

Измерения параметров РЦ и сопротивления изоляции можно проводить как в циклическом режиме, так и в индивидуальном. Выбор режима измерений осуществляется электромехаником СЦБ с АРМа ШН. Активизируя определенные ключи коммутации АК, измерительный прибор подключается к требуемым рельсовым цепям и точкам измерения сопротивления изоляции. Выбор точек подключения осуществляется программным путем в зависимости от режима измерений (циклический, индивидуальный). Возможен вариант увеличения измерительных приборов с сокращением модулей АК.

В зависимости от активности комплекта КТС УК линия интерфейса RS-485 через контакты реле переключения комплектов КТС УК ГРУ подключается к соответствующему контроллеру.

Алгоритмы работы измерительных объектных приборов, обработка данных, время опроса, управление и необходимость передачи данных на центральный пост определяются алгоритмом работы диагностического модуля программного обеспечения контроллера, работающего на многозадачной операционной системе реального времени «LinuxRTL». Такой модуль должен включать в себя гибкие алгоритмы математической, логической, статистической обработки и сравнения измеряемых величин, методику расчета нормы изоляции. В алгоритме модуля необходимо учитывать состояние объекта контроля (положение стрелки, свободность/занятость РЦ, состояние светофора). Петропавлов Ю.П.Технология ремонта электроподвижного состава П311:Учебник для техникумов и колледжей железнодорожного транспорта.

Аппаратные и программные ресурсы контроллера КТС УК вполне удовлетворяют требованиям по управлению и контролю объектами ЭЦ и обработке поступающей диагностической информации. Обработанные данные могут быть сохранены на жестком диске контроллера в виде протоколов, на АРМах ДСП и ШН. Имея протоколы поездной ситуации и диагностической информации, можно в целом иметь достаточно полные сведения о характере, месте и времени отказа, предотказной ситуации. Диагностические данные могут передаваться по линии связи на верхний уровень на файл-сервер диагностики для дальнейшей обработки, хранения, анализа, предоставления данных заинтересованным службам, эксплуатационному и обслуживающему персоналу.

Диагностирование полупроводниковых выпрямительных блоков .Для диагностирования выпрямительных блоков существует множество методик и технических средств, но важным требованием при этом является выбор диагностических параметров, характеризующих силовые полупроводниковые диоды. Основными из них принято считать: обратный ток i обр., прямое падение напряжение ?U и тепловое сопротивление RT. Все эти три параметра в совокупности дают полное представление о техническом состоянии диода. Однако при диагностировании технического состояния необходимо выбрать такой диагностический параметр, по значению которого можно следить за постепенным развитием отказа, чтобы выявить предотказное состояние. К тому же диагностический параметр должен быть, с одной стороны, универсальным и позволять с высокой точностью выявить самые разнообразные отказы силовых диодов в выпрямительном блоке, а с другой - должен способствовать внедрению автоматического контроля выпрямительного блока без разборки последнего. Для того чтобы выбрать такой параметр, необходимо знать, как и по какому закону он реагирует на изменяющиеся параметры диода. Зная закон изменения диагностического параметра, можно спрогнозировать процесс наступления отказа. Рассмотрим диагностические параметры. Тепловое сопротивление характеризует способность конструкции диода отводить поток тепла, образующийся внутри при его работе. Оно определяется отношением температуры p-n-перехода к потере мощности. Отдача тепла от p-n-перехода в окружающую среду зависит от конструкции диода и охладителя. Снижение теплоотдачи является первым признаком нарушения технического состояния диода, которое в дальнейшем перейдёт в отказ. Тепловое сопротивление диодов таблеточной конструкции существенно меньше, чем у паяных штыревых диодов и определяется в основном усилием, создаваемым прижимным устройством. 65 Поэтому, выбрав определённое прижимное усилие, можно значительно уменьшить значение теплового сопротивления. Поэтому тепловое сопротивление не может служить основными диагностическим параметром. В условиях эксплуатации тепловое сопротивление измеряют чаще всего косвенным способом, используя при этом свойство полупроводниковой структуры изменять падение напряжения ?V при её нагревании. С повышением температуры p-n-перехода динамическое сопротивление Rд уменьшается линейно, а следовательно, линейно уменьшается и падение напряжения на диоде. Прямое падение напряжения ?V характеризует как внутреннее состояние p-n-перехода, так и техническое состояние конструкции диода. Падение напряжения для разных диодов и тиристоров тоже разное и в основном определяется динамическим сопротивлением RД и пороговым напряжением U0. Пороговое напряжение зависит от качества монокристаллического кремния, подвижности и времени жизни носителей, а также от правильности размеров элемента перехода и составляет в среднем 0,2-0,4 В. Динамическое сопротивление RД у разных диодов и тиристоров также отличается и колеблется от 0,7-10-3 до 1,3-10-3 Ом.

Однако с увеличением температуры происходит уменьшение прямого падения напряжения, что положительно отражается на потерях мощности, но в то же время указывает на то, что в работе диода появляются некоторые отклонения. Таким образом, падение напряжения и динамическое сопротивление находятся между собой в прямой зависимости и влияют на тепловое сопротивление, поэтому величину ?U также можно считать диагностическим параметром. Сначала измеряют ?U при температуре плюс 20 °С, затем - плюс 140 °С, сравнивают результаты измерений и устанавливают диагноз. При разности падений напряжения более 0,14 В диод имеет предотказное состояние и подлежит замене. Как видно из условий измерений, схема диагностирования довольно сложна, требует больших затрат на диагностирование и мало пригодна для встроенного безразборного диагностирования.

Обратный ток iобр диода характеризует как внутреннее состояние кремниевой структуры, так и техническое состояние конструкции диодохладитель-выпрямительного блока. Для обоснования выбора диагностического параметра значения обратного тока необходимо рассмотреть процессы, проходящие в условиях эксплуатации в выпрямительном блоке, которые влияют на значение обратного тока диода или тиристора, и те законы, по которым идёт процесс старения и разрушения конструкции. Особое внимание должно быть уделено тем факторам, которые способствуют росту обратного тока iобр. Ток утечки слагается из тока утечки внутри диода и по наружной поверхности. На значение токов утечки влияет нарушение герметичности, наличие влаги внутри диодов, низкое качество защиты поверхности выпрямительного элемента и попадание различных химических элементов вместе с воздухом. Попадание влаги на поверхность выпрямительного элемента, даже весьма в малом количестве, нарушает его вентильные свойства. Влага вследствие электролиза резко снижает сопротивление диода, что приводит к увеличению обратного тока и возможному поверхностному пробою.

Ток насыщения IS полностью зависит от концентрации неосновных носителей и не зависит от значения обратного напряжения. Концентрация неосновных носителей зависит от температуры экспоненциально. А это означает, что и обратный ток, определяемый плотностью неосновных носителей. Если исходить из того, что время жизни неосновных носителей экспоненциально растёт с увеличением температуры, то происходит и рост самих носителей, что приводит к появлению приращения обратного тока, называемого током термогенерации Iт. Таким образом, любые отклонения от температурного режима внутри p-n-перехода приводят к повышению числа носителей и к увеличению коэффициента диффузии. Если в электрической цепи выпрямительного диодного или тиристорного выпрямителя имеется индуктивность, то к рассмотренным выше трём видам обратного тока при температуре выше плюс 110 °С добавляется ток, обусловленный переходными процессами. Принимая во внимание все перечисленные факторы, которые влияют на значение обратного тока, приходим к выводу, что выбранный диагностический параметр обладает достаточной информативностью, легко измеряется, преобразуется и передаётся на расстояние. По диагностическому параметру выбираются метод и средства диагностирования.

Существует два вида диагностирования: с разборкой выпрямительного блока и без разборки. Хотя диагностирование с разборкой требует значительных затрат времени, однако оно имеет более высокую достоверность диагностирования без разборки. Средства диагностирования делятся на бортовые и стационарные. Ранее отмечено, что некоторые диоды с увеличением температуры изменяют свои технические параметры, поэтому бортовые средства наиболее предпочтительны и обладают большими возможностями.

Для обнаружения повреждённых диодов или диодов в предотказном состоянии разработано достаточное количество методик и технических средств. С помощью одних средств проверка выполняется на специализированных стендах диагностирования, с помощью других - непосредственно на локомотивах, при этом используется напряжение аккумуляторной батареи. Если рассматривать устройства диагностирования с точки зрения конструкции, то здесь можно выделить два основных принципа их построения: аппаратурный и индикаторный, с применением тепловых датчиков, светодиодов, обычных ламп накаливания и др. Применение индикаторных устройств позволяет упростить методику диагностирования и сами устройства, однако точность и достоверность диагностирования при этом снижаются. К тому же эти устройства трудно поддаются процессу автоматизации. Например, для контроля температуры диода используются термоиндикаторы, которые изменяют свой цвет при определённой температуре и сохраняют его после охлаждения. Термоиндикаторы выполняются на разные значения температуры, которые наносятся в виде небольших меток диаметром до 2 мм на детали диода. Термоиндикаторы дают наиболее полную картину о температурных режимах диодов и тиристоров под нагрузкой, что способствует сокращению объёма ревизионных работ и уменьшению затрат на их выполнение. Светодиодные индикаторы нашли применение при разработке диодного тестера, состоящего из двух щупов и блока питания. Один из щупов содержит светодиодный индикатор, с помощью которого можно проверять техническое состояние диодов в цеху и на локомотиве. На основании закона распределения токов по параллельным ветвям в выпрямительным блоке можно с помощью сигнальной лампы и фотодиода определить дефектный диод. При пробое хотя бы одного диода появляются уравнительные токи, которые через разделительный трансформатор или сигнальную лампу и фотодиод поступают на индикаторное устройство. Аппаратный принцип построения устройств диагностирования получил наибольшее распространение, так как позволяет получать наиболее достоверные данные о техническом состоянии выпрямительных блоков, обладает большой универсальностью и способностью более глубоко исследовать физические свойства кремниевой структуры.