Техническое диагностирование в локомотивном хозяйстве

По степени автоматизации системы диагностирования можно разделить 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 оператором.

   Аналогично классифицируются средства технического диагностирования (рис. 3).

     Рис. 3. Структурная схема классификации средств технического диагностирования.

Системы технического диагностирования должны обеспечивать полное выполнение алгоритма диагностирования: предупреждать постепенные отказы; выявлять неявные отказы; осуществлять поиск неисправных узлов, блоков, сборочных единиц и локализировать место отказа.

Любой объект, подлежащий техническому диагностированию, обладает определенной структурой и набором диагностических параметров, определяющих техническое состояние объекта и способность его к выполнению заданных функций. 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 определяют исходя из заданной глубины диагностирования. Увеличение числа диагностических параметров приводит к усложнению средств диагностирования и их удорожанию.

2.3. Алгоритм и информационные характеристики технического диагностирования

Алгоритм технического диагностирования устанавливает состав и порядок проведения элементарных проверок объекта диагностирования и правила анализа их результатов. Элементарная проверка осуществляется функциональным или тестовым воздействием на объект и полученными диагностическими параметрами, образующими ответ на соответствующее воздействие. Алгоритмы разделяются на условные и безусловные. К условным алгоритмам относятся такие, у которых выбор очередных элементарных проверок определяется результатами предыдущих элементарных проверок, а к безусловным алгоритмам — такие, у которых порядок выполнения элементарных проверок определен заранее и фиксирован. Иногда безусловный алгоритм называют комбинационным или комбинаторным, а условный — последовательным. Все виды алгоритмов диагностирования находят применение в системах тестового диагностирования. В системах функционального диагностирования последовательность реализации элементарных проверок алгоритма диагностирования определяется рабочим алгоритмом функционирования объекта.

Для построения алгоритма диагностирования технического состояния некоторого объекта необходимо иметь описание объекта, принципы его функционирования и поведения в исправном и неисправном состояниях. Такое формальное описание в аналитической, табличной, векторной, фактической или в другой форме называется .математической .моделью объекта диагностирования.

Математическая модель может быть задана в явном или неявном виде. Явная .модель объекта диагностирования представляет собой совокупность формальных описаний его исправного состояния и всех возможных неисправных состояний. Неявная модель объекта диагностирования содержит, как правило, одно формальное описание объекта и чаще всего исправное его состояние, по которому можно в дальнейшем построить любые модели неисправных модификаций.

Исправный или неисправный объект может быть представлен как динамическая система, состояние которой в любой момент времени определяется значениями входных, внутренних и выходных параметров. При этом следует отметить, что наиболее достоверными будут те параметры, которые получают в динамическом состоянии объекта. В любом сложном объекте можно выделить достаточное количество узлов, которые можно представить как отдельные законченные блоки, взаимосвязанные и взаимозависимые между собой. Выход из строя одного блока влияет на работоспособность и техническое состояние другого блока.

Построению диагностической модели должны предшествовать различные исследования, в результате которых необходимо выяснить структуру объекта, выполняемые функции блоков и объекта в целом, режим работы, состав элементов и связи между ними, наличие обратных связей и возможность их разрыва на время диагностирования, признаки и параметры нормального функционирования,

3. Характеристика методов диагностирования

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 объектов диагностирования, большим разнообразием технических задач, вытекающих из требований, предъявляемых к обслуживанию и ремонту локомотивов. Классификация методов диагностирования основывается на признаках, отражающих наиболее существенные отличия между ними. Методы диагностирования (рис. 7) локомотивов различаются в зависимости от комбинации признаков, характеризующих особенности структуры и взаимодействия трех основных частей системы технического диагностирования; объекта диагностирования; системы сбора, преобразования и передачи информации; системы обработки, накопления и отображения результатов диагностирования.

Чаще всего методы диагностирования локомотивов различают в зависимости от физической природы контролируемых процессов и диагностических параметров.

3.1. Метод экспертов

На этапе создания и доводки опытных образцов основным методом диагностирования сложных изделий является метод экспертов. Надежность локомотивов, их долговечность и рентабельность во многом зависят от качества их изготовления, уровня механизации и автоматизации технологического процесса изготовления отдельных деталей, а также от уровня их обслуживания и ремонта. С этой целью в процессе опытной эксплуатации партии локомотивов проводится анализ дефектов, выясняются причины отказов, условия их появления и влияние их на общее техническое состояние локомотивов. Эта работа выполняется экспертно-технической комиссией, которая создается из опытных специалистов, занимающихся разработкой, изготовлением и эксплуатацией локомотивов. После проведенного анализа дефектов и выявления их причин разрабатывается методика их устранения. Метод экспертов субъективен, так как не всегда можно получить достоверную информацию о причинах появления дефекта из-за ограниченных человеческих возможностей при обработке поступающей информации. Многие дефекты одних деталей способствуют появлению дефектов других деталей локомотивов, что вызывает дополнительные субъективные погрешности.

Таким образом, метод экспертов — это анализ рабочих параметров и диагностических признаков, проводимый человеком-экспертом, или измерение их приборами, завершающийся постановкой диагноза. Данным методом пользуются при разработке более совершенных методов диагностирования, выборе диагностических параметров и разработке систем диагностирования, используя при этом автоматические и микропроцессорные устройства.

3.2. Математические методы

Применяемые в технической диагностике математические методы можно разделить на два больших класса: математическое моделирование диагностических процессов и применение различных теорий (теория распознавания образов, теория множеств и пр.). Наиболее эффективно применение математического моделирования при определении неисправностей в устройствах, содержащих электронные элементы. При диагностировании сложных динамических объектов, какими являются локомотивы, использование математического моделирования затруднено из-за сложности определения аналитических зависимостей, связываю-

Рис. 4. Структурная схема классификации методов диагностирования.

щих внешние признаки и соответствующие им неисправности в деталях объекта. Так, для определения дефектов в дизеле необходимо составить систему дифференциальных уравнений, связывающих внешние признаки с состоянием отдельных деталей и узлов. Тем не менее, использование математического моделирования позволяет расширить возможности диагностирования локомотивов благодаря применению микропроцессорной вычислительной техники. Математическое моделирование позволяет сократить и удешевить процесс диагностирования, выбрать наиболее информативные диагностические параметры, проводить накопление информации в аналитической форме для прогнозирования технического состояния объекта.

При построении систем диагностирования большое распространение получили табличные алгоритмы (или матричные), особенно если объект диагностирования имеет небольшой набор диагностических параметров. Чаще всего они применяются для предварительного диагноза, так как устройства диагностирования могут работать только по жесткой программе — детерминистской логике. Ее простота во многих случаях не позволяет поставить достоверный диагноз, так как необходимым условием является полное совпадение диагностических параметров, при несоблюдении которого могут появиться признаки, отсутствующие в матрице. Табличные алгоритмы легко можно реализовать на релейных элементах, диодных матрицах или микропроцессорных устройствах.

Аналитические модели позволяют решать оптимизационные задачи и получать соотношения между состояниями объекта, диагностическими параметрами и показателями качества в аналитическом виде. Аналитическими моделями являются различные функции, связывающие между собой внешние и внутренние параметры элементов системы и выходные параметры. Решая функциональные уравнения зависимостей с помощью микропроцессорных устройств, можно выявить техническое состояние объекта в произвольный промежуток времени с учетом изменения внешних и внутренних параметров.

При разработке математической диагностической модели необходимо учитывать вероятность появления отказов и законы распределения отказов по времени работы или по пробегу локомотивов. Для этого используют вероятностные алгоритмы, основанные на вероятности возникновения определенных дефектов при наличии определенных диагностических параметров.

Таким образом, существует возможность формализовать логический процесс анализа дефектов при несовпадении всех диагностических параметров по вероятностному алгоритму.

Метод граф-моделей основан на использовании теорий отношений и теории графов. Применение этого метода позволяет значительно сократить объем вычислений при достаточной точности решения. Задачу технической диагностики, связанную с построением программы поиска неисправностей и контроля работоспособности, можно отнести к задачам математического программирования. Одним из вариантов решения задач математического программирования является метод «ветвей и границ». Преимущество данного метода заключается в том, что для него не требуется точных количественных соотношений между параметрами. Топологическая модель позволяет описать работу сложного объекта в целом и дает возможность легкого построения модели в случае конструктивных изменений в объекте.

Для решения логических задач технического диагностирования иногда наиболее эффективной оказывается теория распознавания образов. Под термином «образ» подразумевается совокупность воспринимаемых параметров объекта или явлений, принадлежащих одному классу. Параметры образа могут изменяться тогда, как образ будет относиться к одному и тому же классу. Задача теории состоит в том, чтобы построить узнающую систему, которая бы по описанию произвольного объекта из начального множества устанавливается принадлежность к соответствующему классу. Техническую диагностику можно считать частным случаем теории распознавания образов, согласно которой сначала устанавливаются варианты различаемых состояний, а затем выбирают такие признаки, по которым можно судить о том, какой из установленных вариантов состояния имеет в данный момент диагностируемый объект.

Частным случаем решения задачи распознавания образов является задача распознавания размытых множеств. Для этого составляется граф-модель и проводится предварительная минимизация числа точек снятия диагностической информации; определяется значение контролируемых параметров; определяются техническое состояние и значение функций принадлежности к заранее составленному перечню классов состояний; определяется класс состояний, соответствующий неизвестной входной ситуации, поиском наибольшей степени разделимости классов.

3.3. Вибрационные методы диагностирования

В локомотивном хозяйстве эти методы диагностирования получают широкое распространение, так как не требуют разборки агрегатов и узлов локомотивов. Методы основаны на использовании процессов, возникающих в узлах трения и сопряжения деталей во время рабочего режима. Работа этих 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 механизм 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 дает о себе знать усиленной вибрацией или колебаниями. Разным дефектам соответствуют колебания разной частоты.

Существует 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 характерной чертой этого вида колебаний, позволяющей 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 жесткости крепления его к основанию.

Второй источник колебаний механизма — соударения его деталей, вызванные увеличенными зазорами. Эти колебания характеризуются более высокими частотами, малыми амплитудами смещения и значительными ускорениями.

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 ее обработки. Имея набор различных колебаний в узле, можно с помощью датчиков виброколебаний определить степень износа той или иной детали. Для определения технического состояния раньше использовался стетоскоп или простая палочка, один конец которой приставляли к корпусу узла, а другой брали в зубы, получая при этом довольно точную информацию. С помощью современных вибродатчиков с элементами электроники и микропроцессорными устройствами можно получать более глубокую и достоверную информацию за небольшой промежуток времени.