Оперативная оценка технического состояния топливной системы энергетической установки тепловоза

УДК 629.424.1

В. А. Михеев, П. Б. Сергеев

ОПЕРАТИВНАЯ ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ТЕПЛОВОЗА

В статье рассматривается подход к оперативной оценке технического состояния функциональных подсистем энергетической установки тепловоза в составе комплексных микропроцессорных систем управления. Представлен подход к оперативной оценке технического состояния топливной системы. По результатам анализа граф-модели топливной системы выделена совокупность контрольных параметров, разработан алгоритм, позволяющий установить причины выхода контролируемых параметров за допустимые пределы.

Эффективность эксплуатации тепловозов во многом зависит от качества функционирования подсистем дизельной энергетической установки - топливной, масляной и охлаждения, эффективность которых в процессе эксплуатации снижается, что приводит к работе дизеля при повышенной температуре теплоносителей и деталей, к снижению надежности цилиндро-поршневой группы, ограничению мощности силовой установки и, как следствие, к ухудшению топливной экономичности дизельной энергетической установки и тепловоза в целом [1]. Кроме того, практика эксплуатации тепловозов выявила значительные вариации ресурсов узлов и деталей функциональных подсистем, что свидетельствует о необходимости осуществления непрерывного оперативного контроля их технического состояния в условиях эксплуатации.

Важным звеном в задаче оперативной оценки и управления техническим состоянием тепловозов являются комплексные микропроцессорные системы управления (МСУ) со встроенными подсистемами диагностики, которыми в настоящее время оборудуется все серийно выпускаемые локомотивы. МСУ имеют возможность осуществлять непрерывное измерение и регистрацию значений достаточно большого числа аналоговых и дискретных параметров работы оборудования. Однако получаемые МСУ данные в связи с непродолжительным опытом их эксплуатации и отсутствием параметрических методик обработки регистрируемой информации практически не используются для оперативной оценки технического состояния функциональных подсистем энергетической установки. Расширение функциональных возможностей встроенных подсистем диагностики МСУ являются эффективным и малозатратным способом оперативной оценки технического состояния основных подсистем и узлов дизельной энергетической установки тепловоза.

В связи с этим актуальной задачей является разработка методик обработки информации, регистрируемой МСУ, которые позволяли бы оперативно выявлять факт отклонения технического состояния функциональных подсистем от нормального. Для этого необходимо последовательно решить следующие взаимосвязанные задачи: во-первых, сформировать совокупность контрольных параметров в подсистемах диагностики МСУ; во-вторых, разработать методику обработки контрольных параметров с целью оперативной оценки технического состояния функциональных подсистем энергетической установки.

Наиболее строгим подходом к определению совокупности контрольных параметров является путь, основанный на построении и анализе модели исследуемого объекта. Использование конкретной модели обусловливается спецификой рассматриваемого объекта. Функциональные подсистемы энергетической установки относятся к классу непрерывных объектов и характеризуются многоэлементной блочной структурой, большим числом входных и выходных параметров, упорядоченностью связей и разнородностью процессов функционирования. Одним из путей математического описания подобных сложных объектов представляется путь составления граф-модели [2 - 5]. Функционирующий сложный объект представляется топологическим пространством и изображается в виде графа, отображающего существенные свойства функционирования объекта и множество взаимосвязей его параметров. Под тополо-

гическим пространством понимается пара Т = (X, 0), где Х - конечное абстрактное множество X = \х1,...,х1}, 0 - топология, определенная в множестве Х заданием на нем бинарного отношения ф, связывающего две точки - хг(хг- е X) и х^ е X), причем хг ^ х . [2, 6].

Реализацию предлагаемого подхода рассмотрим на примере топливной системы.

Функциональная блок-схема топливной системы тепловозного дизеля [7] представлена на рисунке 1, где ТО - температура окружающей среды; ТТБ - температура топлива в топливном баке (ТБ); ИТБ - уровень топлива в ТБ; СТБ - количество топлива, забираемого из ТБ; НФГ - давление потока топлива после фильтра грубой очистки (ФГО); СФГ - количество топлива, проходящего через ФГО; ТФГ - температура топлива после ФГО; пТН - частота вращения вала топливоподкачивающего насоса (ТПН); РТН - давление топлива перед фильтром тонкой очистки (ФТО); ТТН - температура топлива после ТПН; GТН - количество топлива, подведенного к ФТО; РФТ - давление топлива после ФТО; ТФТ - температура топлива перед ФТО; GФТ - количество топлива, прошедшего через ФТО; РКТ - давление топлива в надплунжерном пространстве ТНВД; ТКТ - температура топлива в топливный коллектор (КТ); Gкт - количество топлива, подведенного к ТНВД; 1Р - выход реек топливного насоса высокого давления (ТНВД); пд - частота вращения коленчатого вала дизеля; Рвд - давление топлива в трубопроводах высокого давления на входе в топливную форсунку Ф; GНд - цикловая подача топлива ТНВД; ТНд - температура топлива после ТНВД; РТ - давление впрыскиваемого в цилиндр топлива; qц - цикловая подача топлива; ТТ - температура впрыскиваемого топлива; Р'КТ - давление топлива в КТ; G'кт - количество топлива, поступающего в КТ; Р'ТН - давление топлива после ТПН; G'ТН - производительность ТПН; GпК - количество топлива, сливаемого через предохранительный клапан (ПК); GпрК - количество топлива, сливаемого через перепускной клапан (ПрК); ТТП - температура топлива на входе в топливоподогреватель (ТП); GВП - количество воды, проходящей через ТП; РВП - давление потока воды на входе в ТП; ТВП - температура воды на входе в ТП; Т'ВП - температура воды на выходе из ТП; Р'ВП -давление воды на выходе из ТП; Gтп - количество топлива, сливаемого в ТБ из ТП; ТТП -температура топлива на выходе из ТП.

Рисунок 1 - Функциональная блок-схема топливной системы

Составление модели функционирования топливной системы (ТС) тепловозного дизеля Gтc (X, и) с использованием метода граф-описания предполагает задание в топологическом пространстве конечного множества функциональных параметров, образующих конечное множество вершин графа Х, соответствующих причинно-следственных связей между ними, образующих конечное множество ребер и (Х п и = 0), и трехместного предиката Р(х, и, у), х, у е X и и е и [2, 6].

В работе [2] к выделению рекомендованы следующие конечные множества параметров: входные параметры (множество К) - параметры воздействия других объектов или окружающей среды; выходные параметры (множество Я) - параметры рассматриваемого объекта,

42 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(25) ОП4 С

I =

воздействующие на другие объекты и системы; параметры процесса функционирования (множество К) - характеристики множества подпроцессов, составляющих основной процесс функционирования топливной системы; структурные параметры (множество Е) и дефекты (множество П). Выделим параметры указанных множеств на основе рассмотрения физических процессов, отражающих сущность функционирования топливной системы и работоспособность ее структурных элементов.

В качестве входных параметров (множество К) в соответствии с функциональной блок-схемой (см. рисунок 1) рассматриваются температура окружающего воздуха ТО; выход рейки топливного насоса и частота вращения коленчатого вала дизеля 1Р и пд; температура, давление и расход воды ТП ТВП, РВП и СВП; частота вращения привода ТПН пТПН. Основными выходными характеристиками процесса функционирования топливной системы (множество Я) служат цикловая подача, температура и давление впрыска топлива qВП, ТВП и РВП.

Параметры множества К выделим на основе анализа подпроцессов функционирования. Межблочные взаимосвязи функциональных элементов топливной системы низкого давления можно охарактеризовать уравнением Бернулли для реальной жидкости, которое для рассматриваемой системы запишется в виде [8, 9]:

^ + Р/

где г-ъ, гту - высота расположения центра тяжести соответственно /-го и у-го сечений потока над плоскостью сравнения (напор положения или уровень жидкости); Ртг/(ртg) - напор

давления потока топлива; (а,—)/(2g) - скоростной напор потока топлива; к- - потерянная удельная энергия потока или потеря напора топлива на участке / - у (гидравлические потери напора); = Gт/ют - средняя скорость топлива на участке; Рт - давление в центре тяжести рассматриваемого сечения; Gт - расход (поток) топлива; ют - живое сечение потока топлива; рт - плотность жидкости; а - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения скоростей по сечению потока.

Производительность ТПН является одним из важнейших параметров топливной системы тепловозного дизеля, которая характеризуется количеством массовой подачи топлива, проходящего через систему в единицу времени:

^Тн = Мтн СТН рт ПТН ,

где цТН - коэффициент подачи насоса; Стн - постоянная для данного типа насоса; рт - плотность топлива, которая представляется функцией рабочей температуры топлива в ТБ; пТН -частота вращения привода ТПН.

Фильтры тонкой и грубой очистки топлива ФТО и ФГО как элементы гидравлической цепи представляют собой местные сопротивления, для которых на основании уравнения Бернулли можно записать [8, 9]:

РТФ = РТН _ ^ТФ рт—тф /2,

где ^ТФ - коэффициент гидравлического сопротивления фильтра; РТН, РТФ - соответственно давление до и после фильтра; рт - плотность топлива; иТФ - средняя скорость топлива в фильтре.

Клапаны ПрК и ПК топливной системы представляют собой подпружиненные шарики, закрывающие отверстия для перепускания топлива. Потери напора на клапанах представляют собой потери в местных сопротивлениях [8, 9]:

¿кл =^тф Рт-2ф/2 .

Процесс формирования закона подачи топлива в топливной системе высокого давления определяется следующими основными параметрами: Рт, ит, рт - давление, скорость движения и плотность топлива; ^ТВд - внутренний диаметр нагнетательного трубопровода; сп - ско-

рость плунжера; /и - площадь поперечного сечения иглы форсунки; то - время движения плунжера на активной части хода; 2 - жесткость пружины иглы форсунки; Ри - давление топлива под иглой при ее отрыве от седла; Ро - давление среды в цилиндре дизеля; /к - площадь поперечного сечения нагнетательного клапана; у - величина подъема нагнетательного клапана; - коэффициент расхода для всасывающего окна; цо - коэффициент расхода отсечного окна; цс - коэффициент расхода эффективного сечения распылителя форсунки. Параметры сп, то, Ро определяют режим работы дизеля, /к, До, У - техническое состояние ТНВД, а /и, 2, - техническое состояние форсунки (Ф).

Исходя из изложенного выше основной цикл работы топливной системы отображаем множеством взаимосвязанных функциональных параметров (множество К), представляющих давление (РТН, РФТ, ..., РКТ), температуру (ТФГ, ТТН, ..., ТКТ) и скорость движения сред (иФТ, ..., иФГ), расход рабочих сред ^ТН, Gпк, ..., Gкт) и гидравлические потери напора (^ФГ, ИФТ, ..., Апк), оказывающих наибольшее влияние на процесс течения потока топлива и его параметры.

Выделенные выше параметры соответствуют режиму нормального функционирования, поэтому для распознавания возможных неисправностей необходимо ввести структурные параметры (множество Е) и дефекты (множество П).

Глубина исследования в нашем случае распространяется до агрегатов и отдельных узлов топливной системы и не рассматривает ее отдельных элементов, поэтому описание структурных параметров подмножества Е здесь и далее реализуем в терминах теории размытых категорий [2]: ЕФГ - техническое состояние ФГО; ЕТПН - техническое состояние ТПН; ЕФТ -техническое состояние ФТО; ЕПК и ЕПрК - техническое состояние ПК и ПРК; ЕКТ - техническое состояние КТ; Енд - техническое состояние ТНВД; ЕФ - техническое состояние Ф. Множество структурных параметров отображаются на графе в виде прообразов [2].

Параметры Е{ выделили по следующим соображениям. Основываясь на анализе функциональной схемы и ее содержательного описания, можно констатировать, что в целом снижение давления на входе в ТНВД в эксплуатации может произойти вследствие увеличения перепада давления на ФТО в результате загрязнения фильтрующего элемента (Ефт), уменьшения производительности и давления, создаваемого топливоподкачивающим насосом, из-за износа его деталей (ЕТПН), загрязнения ФГО (ЕФГ), а также из-за нарушений в работе клапанов ПК и ПрК (ЕПК и ЕПрК). Техническое состояние топливной подсистемы высокого давления характеризуется техническим состоянием ТНВД и Ф (Енд и Еф). Возникающие в них неисправности ведут к изменению закона топливоподачи, что в конечном счете сказывается на надежности и экономичности тепловозного дизеля.

Каждый структурный параметр представляется возможным состоянием - дефектом, под которым понимаем несоответствие группы структурных параметров допустимым значениям. Число дефектов в структурных элементах топливной системы принимаем конечным и будем рассматривать как один обобщенный, влияющий на параметры Е{.

Составленная методом граф-описания модель нормального функционирования топливной системы тепловозного дизеля представлена на рисунке 2. Ориентированный граф Gтс в пространстве параметров является конечным и содержит вершины трех видов: стоковые (только входящие ребра), истоковые (только исходящие ребра) и смешанные (как входящие, так и исходящие ребра).

Полученная граф-модель топливной системы в пространстве параметров позволяет осуществить процедуру выбора контрольных параметров технического состояния. Для анализа полученных граф-моделей и установления наиболее рационального подмножества контрольных параметров (множества В) был применен метод покрытия таблицы расстояний [2, 3], который базируется на оценке элементов модели, упорядочивании вершин в соответствии со значением принятого показателя эффективности, нахождении маршрутов отображения дефектов в графе. Математически задача выделения совокупности контрольных параметров технического состояния решена нахождением внешне устойчивого подмножества (ВУПа) - Т

44 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(25) ОП4 С

I =

ориентированного двудольного графа, такого, что Т ^ Х и истинно логическое высказывание V [х е X, х £ Т(Гх п Т ^ 0)], где Гх - подмножество, образованное отображением вершины х в множестве Х; V - квантор общности [2]. В результате получили схему покрытия в виде двудольного графа (рисунок 3), представляющую собой искомое множество контрольных параметров топливной системы.

Рисунок 3 - Двудольный граф соответствия топливной системы

Рисунок 2 - Граф-модель топливной системы Отс

При разработке методики обработки контрольной информации в составе встроенных подсистем диагностики МСУ особый интерес представляет разработка способа оценки технического состояния функциональной подсистемы, допускающего возможность формализации и автоматизации логических и вычислительных операций, в частности - вычисление контролируемых параметров и их отклонений, локализация отказов по соответствующим алгоритмам.

В разработанной методике регистрации подвергается совокупность контрольных параметров В = {Ртн, Ркт, Рфт} при установившемся номинальном режиме работы тепловоза; позиции расположения контрольных точек в топливной системе представлены на рисунке 4.

Топливная система низкого давления

Рисунок 4 - Позиции расположения контрольных точек в топливной системе: 1 - ТБ; 2 - ФГО; 3 - ТПН; 4 - ФТО; 5 - КТ; 6 - ТНВД; 7 - Ф; 8 - ПК; 9 - ПрК; 10 - ТП; I - давление топлива в КТ РКТ; II - давление топлива до ФТО РТН; III - давление топлива после ФТО РФТ

Г

тс

На основе выполненных измерений формируются контролируемые параметры, представленные в таблице, допустимые значения которых принимаются согласно технической документации и опыту эксплуатации.

Контролируемые параметры

Наименование, обозначение параметра, ед. измерения Допустимые значения

Давление топлива в КТ РКТ, МПа Давление топлива до ФТО РТН, МПа Перепад давления топлива на ФТО ДРФТ, МПа 0,11 < РКТ < 0,13 0,26 < РТН < 0,35 ДРфт = Ртн - Рфт, ДРфт < 0,15

Разработка алгоритма оперативной оценки технического состояния функциональных подсистем предполагает задание логических условий с использованием допустимых значений контролируемых параметров (максимальных и минимальных):

р(тп) < р < р(тах) .

РКТ — Р КТ — Р КТ ;

р < р

1 кт < 1 кт .

Р(ш1П) < р < р(шах) .

РТН — РТН — РТН ;

АРФТ — ЛРФТ;

Ртн > рТшах).

Выполнение условия (5) означает исправное состояние топливной системы низкого давления. Невыполнение условия (5) при выполнении условий (6) - (8) означает неисправность перепускного клапана, наличие утечек в топливном коллекторе. Невыполнение условий (5) и (4) и выполнение условия (6) означает неисправность фильтра грубой очистки топлива, предохранительного клапана, топливоподкачивающего насоса, наличие утечек на участке трубопровода. Невыполнение условий (5) и (8) при выполнении условий (6) и (7) означает неисправность фильтра тонкой очистки топлива. Невыполнение условий (5) и (6) при выполнении условия (9) означает неисправность предохранительного клапана, топливоподкачива-ющего насоса. Невыполнение совместно трех условий - (5), (6) и (9) - означает неисправность перепускного клапана.

По результатам контроля формируется отчет, содержащий заключение о техническом состоянии исследуемой системы.

Разработанный алгоритм, представленный на рисунке 5, позволяет оперативно оценить техническое состояние топливной системы и, при необходимости, установить причины выхода контролируемых параметров за допустимые пределы.

Методику обработки контрольных параметров предполагается использовать в виде дополнения к программному обеспечению серийных подсистем диагностики МСУ, при таком подходе исключается необходимость интегрировать в состав МСУ дополнительные аппаратные средства и менять регламент работы.

Подводя итог изложенному, можно сказать, что разработанные методики и алгоритмы помимо оперативной оценки функциональных подсистем энергетической установки можно использовать

для интегральной оценки технического состояния каждого тепловоза по отклонениям параметров работы его функциональных подсистем;

выявления динамики изменения технического состояния основного оборудования во времени с целью прогнозирования остаточного ресурса.

В целом применение разработанных подходов позволит сократить временные и материальные затраты на техническое обслуживание и ремонт тепловозного парка, повысить его

46 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(25) ОП4 С

I = 2иПО

эффективность и эксплуатационную надежность, соответственно уменьшив потери в эксплуатационной работе.

Рисунок 5 - Алгоритм оперативной оценки технического состояния топливной системы

Список литературы

1. Бервинов, В. И. Техническое диагностирование локомотивов [Текст] / В. И. Бервинов / УМК МПС РФ. - М., 1998. - 193 с.

2. Осис, Я. Я. Диагностирование на граф-моделях: На примерах авиационной и автомобильной техники [Текст] / Я. Я. Осис. - М.: Транспорт, 1991. - 244 с.

3. Харламов, В. В. Методы и средства диагностирования технического состояния кол-лекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей и других коллекторных машин постоянного тока [Текст] / В. В. Харламов / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2002. -233 с.

4. Сковородников, Е. И. Моделирование процессов функционирования дизель-генераторной установки тепловоза с целью оптимизации количества параметров контроля [Текст] / Е. И. Сковородников, В. А. Михеев // Транспорт Урала / Уральский гос. ун-т путей сообщения. - Екатеринбург. - 2009. - № 1 (20). - С. 59 - 62.

5. Анисимов, А. С. Методы исследования взаимовлияния параметров функционирования тепловоза [Текст] / А. С. Анисимов, В. А. Михеев, Ю. Б. Гришина // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 1 (1). - С. 2 - 8.

6. Лекции по теории графов [Текст] / В. А. Емеличев, О. И. Мельников и др. - М.: Наука, 1990. - 383 с.

7. Тепловоз 2ТЭ116 [Текст] / С. П. Филонов, А. И. Гибалов и др. - М.: Транспорт, 1996. -334 с.

8. Справочник по гидравлическим сопротивлениям [Текст] / Под ред. М. О. Штейнберга. -М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.

9. Чиняев, И. А. Судовые системы [Текст] / И. А. Чиняев. - М.: Транспорт, 1984. - 216 с.

References

1. Bervinov V. I. Tekhnicheskoe diagnostirovanie lokomotivov (Technical diagnosing of locomotives). Moscow: UMK Ministry of Railways of the Russian Federation, 1998, 193 p.

2. Osis Ia. Ia. Diagnostirovanie na graf-modeliakh: Na primerakh aviatsionnoi i avtomobil'noi tekhniki (Diagnosing on graph models: On examples aviation and automotive vehicles). Moscow: Transport, 1991, 244 p.

3. Kharlamov V. V. Metody i sredstva diagnostirovaniia tekhnicheskogo sostoianiia kollektorno-shchetochnogo uzla tiagovykh elektrodvigatelei i drugikh kollektornykh mashin posto-iannogo toka (Methods and tools for diagnosing technical condition number of reflex-brush assembly traction motors and other collector cars post-direct current). Omsk: OSTU Printing House, 2002, 233 p.

4. Skovorodnikov E. I., Mikheyev V. A. Modelling of processes functioning of diesel locomotive power for the purpose of optimization the number of control parameters [Modelirovanie protsessov funktsionirovaniia dizel'-generatornoi ustanovki teplo-voza s tsel'iu optimizatsii kolich-estva parametrov kontrolia]. Transport Urala - The Urals Transport Bulletin, 2009, no. 1 (20), pp. 59 - 62.

5. Anisimov A. S., Mikheyev V. A., Grishina Yu. B Methods of interference locomotive functioning parameters [Metody issledovaniia vzaimovliianiia parametrov funktsionirovaniia teplovo-za]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2010, no. 1 (1), pp. 2 - 8.

6. Emelichev V. A. Lektsii po teorii grafov (Lectures on graph theory). Moscow: Science, 1990, 383 p.

7. Filonov S. P. Teplovoz 2TE116 (Locomotive 2TE116). Moscow: Transport, 1996, 334 p.

8. Ed. Steinberg M. O. Spravochnikpo gidravlicheskim soprotivleniiam (Handbook of hydraulic resistance). Moscow: Mechanical engineering, 1992, 672 p.

9. Chinyaev I. A. Sudovye sistemy (Ship systems). Moscow: Transport, 1984, 216 p.

УДК 629.4.066

А. В. Щелканов

РАЗРАБОТКА ЛОГИКО-ЛИНГВИСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА ДЛЯ ЗАДАЧ ДИАГНОСТИКИ

В данной статье автором представлена логико-лингвистическая модель, обеспечивающая достаточную глубину и полноту диагностирования с соблюдением всех требуемых инструкцией проверок и норм. Для построения данной модели были определены диагностические признаки с учетом каждой из требуемых прове-

48 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(25) ОП4 С

I = 2U10