СПОСОБ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ЛОКОМОТИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR TECHNICAL DIAGNOSTICS OF LOCOMOTIVE EQUIPMENT AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к системам управления надежностью и технического экспресс-диагностирования оборудования локомотива, и может быть использовано для своевременного выявления предотказных состояний оборудования локомотивов (тяговые электродвигатели, цилиндры дизеля и др.) на стадии работоспособного состояния путем вычисления коэффициентов корреляции параметров работы однотипных узлов и выявления тенденции их изменения.
Из уровня техники известен способ определения технического состояния системы автоматического регулирования турбоагрегата путем измерения значений мощности генератора, входных координат каналов регулирования, частоты вращения и давлений пара, а также выходных координат сервомоторов, формирования на основе результатов измерения характерных показателей в виде коэффициентов корреляции между измеренными значениями в камерах первого и второго отбора мощности, сопоставления значений сформированных коэффициентов корреляции с их эталонными значениями и установления нарушений работоспособности при совместном увеличении коэффициента корреляции между параметрами в камерах первого и второго отбора (см. RU 2056505, кл. F01D 21/14, опубл. 20.03.1996). Недостатками известного способа являются невозможность его использования для технического диагностирования локомотивов и неэффективность сравнения с эталоном, обусловленная высокой динамичностью изменения параметров у локомотивов в зависимости от условий эксплуатации. Например, работа генератора электростанции или трансформатора подстанции характеризуется однотипностью режима эксплуатации, поэтому удобен способ сравнения фактических характеристик с эталоном, в т.ч. методом корреляционного анализа. Для локомотива такой способ диагностирования возможен только на стенде или испытательной станции. В эксплуатации локомотив тянет поезда разной массы по разному профилю в различных климатических условиях с разной степенью износа узлов. У электровозов дополнительно влияет напряжение в контактной сети. Все это делает сравнение с эталоном крайне затруднительным.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ технического диагностирования оборудования локомотива, включающий запрос и получение данных диагностирования от бортовой микропроцессорной системы управления локомотива в виде параметров текущего технического состояния оборудования, их статистическую обработку на основе корреляционного анализа и формирование предупреждающего сигнала в случае прогнозирования отказа оборудования (см. заявку RU 2013147471, кл. B61K 11/00, опубл. 20.02.2014). Из этого же источника известно устройство технического диагностирования оборудования локомотива, содержащее средства подключения к бортовой микропроцессорной системе управления локомотива и блок обработки. Недостатками известных способа и устройства являются сложность обработки и громоздкость необходимого оборудования, корреляционный анализ предполагается использовать для выявления тенденций в состоянии надежности локомотивов в целом, а не по конкретной ситуации. Скачивание всех диагностических данных в стационарную систему требует большого информационного трафика и мощного процессора.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении точности прогнозирования отказа при помощи компактного бортового оборудования, в том числе, на этапе предотказного состояния, когда неисправность уже есть, а работоспособность сохраняется.
yx
yx
В части способа поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что согласно предлагаемому способу технического диагностирования оборудования локомотива, включающему запрос и получение данных диагностирования от бортовой микропроцессорной системы управления локомотива в виде параметров текущего технического состояния оборудования, их статистическую обработку на основе корреляционного анализа и формирование предупреждающего сигнала в случае прогнозирования отказа оборудования (предотказное состояние), в процессе статистической обработки разделяют указанные данные диагностирования на группы, относящиеся к однотипным узлам оборудования, и проводят корреляционный анализ в каждой группе по каждому параметру путем расчета коэффициентов корреляции r, а отказ оборудования прогнозируют, если r отличается от своего среднестатистического значения больше чем на 2%, причем
11
y
x
у
x
, где y - значение параметра диагностируемого узла; x - значение аналогичного параметра для каждого из остальных узлов в группе или среднее значение этого параметра в группе; α(y,x) - ковариация параметров y и х; m - математическое ожидание параметра y; m - математическое ожидание параметра х; σ - среднеквадратическое отклонение параметра y; σ - среднеквадратическое отклонение параметра х.
В части устройства поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство технического диагностирования оборудования локомотива содержит средства подключения к бортовой микропроцессорной системе управления локомотива и блок обработки, выполненный с возможностью реализации описанного выше способа.
На фиг. 1 представлен алгоритм предлагаемого способа;
на фиг. 2 - схема интеграции предлагаемого устройства в систему оборудования локомотива.
Предлагаемый способ технического диагностирования оборудования локомотива включает запрос и получение данных диагностирования от бортовой микропроцессорной системы управления (МСУ) локомотива в виде параметров текущего технического состояния оборудования, их статистическую обработку на основе корреляционного анализа и формирование предупреждающего сигнала в случае прогнозирования отказа оборудования.
Основным отличием предлагаемого способа является процесс статистической обработки. Согласно изобретению полученные от МСУ данные диагностирования разделяют на группы, относящиеся к однотипным узлам оборудования.
Однотипные узлы применяются на локомотиве, в основном, для выполнения одинаковых функций в сходных условиях. Так, например, все тяговые электродвигатели локомотивов с электрической передачей развивают одинаковый крутящий момент на одинаковых частотах вращения. Цилиндры дизеля работают в одинаковых условиях. Однотипным оборудованием можно считать и единичное оборудование различных секций локомотива. Поскольку принцип работы однотипных узлов физически один и тот же, все параметры работы этих узлов при их нормальном функционировании будут отличаться незначительно и, в идеальном случае, должны оставаться в пределах погрешности средств измерения.
При изменении в течение времени режима работы локомотива (тяговый режим - выбег - торможение, изменение позиции управления, изменение профиля пути, смена поезда с изменением массы и др.) изменяются и значения контролируемых параметров. В исправном локомотиве параметры однотипных узлов при изменении режима работы или внешних условий должны меняться синхронно. Исходя из предположения, что большинство однотипного оборудования является исправным, асинхронность одного из них свидетельствует о проблемах. Таким образом, отсутствие синхронности (и как следствие - уменьшение значения коэффициента корреляции) является признаком предотказного состояния или уже наступившего скрытого отказа вследствие отсутствия настройки цепей управления (разрегулировки), недопустимого отклонения характеристик объекта диагностирования, его неисправности или неисправности датчиков. Все эти отклонения являются предотказными или неисправными техническими состояниями локомотива, которые могут не проявляться на общей работоспособности локомотива.
Например, сравнивая токи восьми тяговых электродвигателей (ТЭД) одного локомотива при снижении коэффициента корреляции одного ТЭД свидетельствует о наличие предотказного состояния в его части цепи, у двух ТЭД одной тележки - о наличие предотказного состояния в системе управления этой тележки и т.д. При этом общая тяга локомотива на промежуточных позициях может быть достаточна для тяги поезда даже при разбросе характеристик различных колесно-моторных блоков, дизель-генераторная установка может выдавать необходимую мощность даже при потере характеристик отдельных цилиндров, отклонение в скорости срабатывания электрических аппаратов может не приводить к срабатыванию защит от перегрузки (пока разброс характеристик еще небольшой). Для анализа асинхронности работы однотипных узлов требуется метод, позволяющий определять схожесть параметров, изменяющихся в целом синхронно.
yx
yx
В ходе разработки предлагаемого способа была проведена серия экспериментов и расчетов с использованием различных статистических методов анализа. Ряд методов оказались нечувствительными (например, определение закона распределения случайной величины) или сверхчувствительными (например, метод сравнения двух средних). Наиболее предпочтительным оказался метод корреляционного анализа. Корреляционный анализ необходимо проводить в каждой группе однотипного оборудования по каждому параметру путем расчета коэффициентов корреляции r. При этом отказ оборудования прогнозируют, если r отличается от своего среднестатистического значения больше чем на 2%, т.е. если констатируется наличие отклонения в работе диагностируемого узла от однотипных узлов. При этом субъективно отклонения не очевидны из-за работоспособности локомотива в целом и отсутствия замечаний со стороны машиниста: именно корреляционный анализ позволяет выявить предотказное состояние, которое следует устранить во время очередного планово-предупредительного обслуживания. Если отличие составляет меньше 2%, метод становится гиперчувствительным и прогнозирует отказ оборудования даже в случае его нормального функционирования.
В ходе апробации изобретения наблюдались предотказные состояния, приводившие к уменьшению коэффициента корреляции. Однако теоретически возможна ситуация, когда коэффициент корреляции в предотказном состоянии наоборот будет увеличиваться. Например, при наличие неполного короткого замыкания напряжение и/или ток в независимых в исправном состоянии цепях могут начать зависеть друг от друга.
yx
Расчет коэффициента корреляции r производят по формуле:
,
где y - значение параметра диагностируемого узла;
x - значение аналогичного параметра для каждого из остальных узлов в группе (при числе однотипного оборудования до трех коэффициент корреляции считается между параметрами оборудования (1-2, 1-3, 2-3)) или среднее значение этого параметра в группе;
11
α(y,x) - ковариация параметров y и х;
y
m - математическое ожидание параметра y;
x
m - математическое ожидание параметра x;
y
σ - среднеквадратическое отклонение параметра y;
x
σ - среднеквадратическое отклонение параметра x.
Выбор указанной формулы для расчета коэффициента корреляции обусловлен тем, что именно этот метод дает наибольшую сходимость данных расчета с фактическим техническим состоянием оборудования локомотива по критерию ошибок первого (неисправность есть, диагноза нет) и второго (неисправности нет, диагноз есть) рода. Так, например, метод сравнения двух средних дает высокий процент ошибок второго рода (ошибки составляли до 95% от общего результата). У метода корреляционного анализа ошибок первого и второго рода для тяговых электродвигателей не обнаружено. Для оборудования дизельной группы имели место ошибки второго рода (до 10%), связанные с неточностью работы датчиков температуры.
Предлагаемые технические решения работают следующим образом.
Во время эксплуатации локомотива с датчиками (1.1 - 1Ν), установленными на однотипном оборудовании (блок 1), считывают данные, которые через входной блок 2 направляют в микропроцессорную систему управления локомотива (МСУ) 3, где после обработки сохраняют в модуле памяти 4 (жесткий диск, Flash-память и др.). На этом этапе происходит накопление исходной информации по диагностическим параметрам каждого оборудования из числа однотипных. При этом по командам, поступающим с пульта 5 машиниста локомотива с учетом данных с датчиков (1.1 - 1Ν), реализуют алгоритмы управления локомотивом с последующим воздействием на цепи управления через выходной модуль 6.
yx
Периодически (т.к. метод корреляционного анализа предполагает работу с математическими ожиданиями и среднеквадратическими отклонениями наблюдаемых случайных величин параметров оборудования) производят расчет коэффициентов корреляции параметров однотипного оборудования с помощью блока обработки 7, снабженного средствами подключения к бортовой МСУ 3. На этом этапе производят статистическую обработку данных и корреляционный анализ полученных результатов. В случае обнаружения отклонений коэффициента корреляции r от своего среднестатистического значения больше чем на 2% у одного и более контролируемых узлов (1.1 - 1.N) из числа однотипных (блок 1) прогнозируют отказ оборудования, т.е. фиксируют предотказное состояние, и формируют соответствующий предупреждающий сигнал для отсылки сообщения ответственным исполнителям. Сигнал направляют на блок индикации 8 в кабине машиниста и сохраняют в модуле памяти 4, откуда через блок считывания 9 (порт, WiFi-передатчик, GSM/GPRS и др.) информация поступает в центр мониторинга 10 технического состояния локомотивов. На основании полученного сигнала при очередном плановом заходе в депо на техническое обслуживание (ТО) или ремонт (Р) даже в случае работоспособности локомотива принимают превентивные меры по устранению предотказного состояния и предотвращению отказа.
yx
На завершающем этапе алгоритм последующего диагностирования может быть скорректирован, например уточнен процент отклонения коэффициента корреляции, при котором фиксируют предотказное состояние, или выявлена взаимосвязь локализации места отказа со степенью отклонения коэффициента корреляции. Так по коэффициентам корреляции r токов параллельно работающих тяговых электродвигателей двигателей (ТЭД), число которых на локомотиве колеблется от 4-х до 16, можно диагностировать следующие технические состояния
yx
- r=98÷100%: ТЭД исправны;
yx
- r=95÷98%: в цепи одного и ТЭД есть предотказное состояние или отклонение в настройке (например, резисторы ослабления поля отличаются по своим значениям или неисправны);
yx
- r=80÷95%: временные отключения ТЭД, боксование колесно-моторного блока, другие отклонения от нормальной работы;
yx
- r=50÷80%: существенная неисправность ТЭД. Если отклонение имеет место у всех ТЭД, то неисправность касается группы ТЭД, например одной тележки;
yx
- r<50%: ТЭД неисправен или неисправны датчики.
Таким образом, за счет применения корреляционного анализа параметров однотипного оборудования локомотивов изобретение позволяет значительно повысить точность диагностирования. Благодаря использованию изобретения может быть проведено превентивное техническое обслуживание и/или ремонт, который позволит исключить наступление опасного и дорогостоящего отказа (потери работоспсобности) на этапе предотказного состояния (неисправность есть, работоспособность сохраняется). При этом необходимое для диагностирования оборудование компактно, а его использование нетрудоемко, корреляционный анализ может выполняться в режиме on-line и не требует больших информационных ресурсов.