Методы исследования взаимовлияния параметров функционирования тепловоза

УДК 629.424.1

А. С. Анисимов, В. А. Михеев, Ю. Б. Гришина

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЗА

В статье рассмотрен подход к исследованию взаимовлияния параметров функционирования тепловоза, основанный на использовании аппарата теории графов и алгебры логики. Приведена методика поэтапного построения граф-модели с применением метода обращения функциональных схем и ее обработки с использованием практических алгоритмов минимизации графов применительно к системе охлаждения тепловоза.

Качество функционирования тепловоза в целом в соответствии с принципом декомпозиции определяется техническим состоянием, уровнем регулировки и настройкой основных функциональных блоков [1]: дизеля и его систем; тяговых и вспомогательных электрических машин; аппаратов, силовых цепей и цепей управления; экипажной части; вспомогательного оборудования.

Множество возможных технических состояний тепловоза может быть представлено четырьмя подмножествами: тепловоз исправен (Ти), тепловоз неисправен (Тни), тепловоз работоспособен (Тр), тепловоз неработоспособен (Тнр).

Между этими подмножествами существуют следующие соотношения: подмножество Ти входит составной частью в подмножество Тр, а подмножество Тнр входит составной частью в подмножество Тни. Подмножества Тр и Тни пересекаются, т.е. имеют общую часть, а подмножества Тр и Тнр, Ти и Тни не пересекаются, т.е. несовместны.

Следовательно, тепловоз и его функциональные блоки могут находиться в одном из трех основных состояний: исправен и работоспособен; неисправен, но работоспособен; неисправен и неработоспособен. Графическая интерпретация перечисленных выше состояний представлена на рисунке 1.

В процессе эксплуатации тепловоза, в частности, до и после ремонтных и обслуживающих воздействий возникает задача по идентификации текущего технического состояния тепловоза и его функциональных блоков. Успешное решение обозначенной задачи усложняется тем, что техническое состояние тепловоза может характеризоваться большим количеством выходных параметров различной физической природы. Контроль всех возможных параметров связан со значительными материальными и временными затратами, которые, возможно, не всегда оправдываются.

Трудности, связанные с нахождением оптимального количества параметров, с использованием которых достаточно точно характеризуется техническое состояния тепловоза, могут быть преодолены путем применения графоаналитических методов исследования взаимовлияния входных, внутренних и выходных параметров его функциональных блоков, базирующихся на построении и обработке граф-моделей [2, 3]. В работе [2] предложено два метода, алгоритмизирующих и упорядочивающих процедуру построения граф-модели: формализованная пошаговая процедура инженерно-логического метода и формальный алгоритм на базе обращения функциональных схем.

Рисунок 1 - Разбиение множеств технических состояний тепловоза: 1 - тепловоз исправен и работоспособен;

2 - тепловоз неисправен, но работоспособен;

3 - тепловоз неисправен и неработоспособен

Рассмотрим основные этапы построения граф-модели с использованием метода обращения функциональных схем применительно к системе охлаждения тепловоза. Система охлаждения тепловоза, принципиальная схема холодного контура которой представлена на рисунке 2, является структурным элементом, в значительной степени обеспечивающим эффективную и надежную работу дизель-генераторной установки тепловоза в процессе эксплуатации.

Рисунок 2 - Принципиальная схема системы охлаждения тепловоза

Согласно принципиальной схеме (рисунок 2) циркуляция охлаждающей воды обеспечивается центробежным насосом (1), который нагнетает воду в охладители наддувочного воздуха (2) и далее по двум параллельным трубопроводам, соединяющимся за дизелем, в водо-масляный теплообменник (3) на охлаждение дизельного масла; горячая вода охлаждается в секциях холодильника (4) воздухом, расход которого регулируется вентилятором (5) [4].

В соответствии с описанными выше процессами разработана функциональная схема хо -лодного контура системы охлаждения тепловоза (рисунок 3), чем завершен первый этап моделирования.

Рисунок 3 - Функциональная схема системы охлаждения тепловоза

Перечень блоков функциональной схемы и соответствующих им параметров приведен в таблице.

Таблица - Перечень блоков функциональной схемы системы охлаждения тепловоза и соответствующих им параметров

Обозначение и наименование блока Параметр Наименование параметра

1 2 3 4

ПР Привод водяного насоса Пд Частота вращения вала дизеля

Ппр Частота вращения привода ВН

Ар Структурные параметры ПР

ВН Водяной насос Пвн Частота вращения ВН

^вн Производительность ВН

Рв1 Давление воды после ВН

Ан Структурные параметры ВН

Окончание таблицы

1 2 3 4

ОХНВ1 ОХНВ2 Охладители наддувочного воздуха Т 1 воз Температура воздуха перед ОХНВ

Т 1 воз Температура воздуха после ОХНВ

Т 1 охв Температура воды после ОХНВ

Сохв Количество воды, проходящей через ОХНВ

Рв2 Давление воды после ОХНВ

^охв Скорость воды в ОХНВ

—охв Структурные параметры ОХНВ

ВМТ Водомасляный тепл ообменник Т 1 мд Температура масла перед ВМТ

Т 1 мд Температура масла после ВМТ

С"вмт Количество воды, проходящей через ВМТ

^вмт Скорость воды в ВМТ

Рв3 Давление воды после ВМТ

Т -1 вмт Температура воды после ВМТ

—вмт Структурные параметры ВМТ

ВХ Вентилятор холодильной камеры Пвх Частота вращения ВХ

Gвx Производительность ВХ

Ах Структурные параметры ВХ

СО Охлаждающие секции (радиаторы) ^ес Скорость воды в СО

V» Скорость воздуха на выходе из СО

^о Скорость воздуха в СО

Т 1 о Температура окружающего воздуха

Т 1 о Температура воздуха на выходе из СО

Ссо Количество воды, проходящей через СО

Т -1 со Температура воды на выходе из СО

Со Количество воздуха, проходящего через СО

Рв4 Давление воды после СО

-со Структурные параметры СО

На втором этапе исследования составлена граф-модель функционирования системы охлаждения тепловоза в пространстве взаимовлияния параметров (рисунок 4).

Рисунок 4 - Граф-модель системы охлаждения тепловоза

Для построения граф-модели исследуемой системы параметры г, указанные в таблице, приняты как основные функциональные параметры и представлены на модели в виде вершин графа, а причинно-следственные связи между ними, вытекающие из физики функционирования объекта, - дугами. Дуги проводились независимо от того, известна ли связывающая вершины аналитическая (количественная) зависимость или эта связь носит только качественный характер.

и

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

Составленная граф-модель позволяет минимизировать число точек контроля для интенсификации текущего технического состояния системы охлаждения тепловоза. Математически данную задачу можно свести к отысканию минимальных внешне устойчивых подмножеств (МВУП) графа, что предполагает уменьшение числа вершин модели в пространстве параметров путем их отбрасывания таким образом, чтобы они отображались в отобранных при минимизации вершинах.

С математической точки зрения построенная граф-модель исследуемой системы задана множеством параметров X, образующих множество вершин графа,

Х = { Ппр , Ар , Пвн, Авн , ^вн , Рв1, ^охв , Рв2 , То , , °о , ^вх , Авх , Пвх , Рв3 , Усо , °со , ^ ,

Т Т ^ А т ' Т ' Т

охв' воз' вмт' вмт' вмт' мд' воз' со'

1 \ ' I  ' I  грГ 1 Л т л ^

А охв , Т мд , Т вмт , Т о , ^охв , Асо , Рв 4) ,

и конечным множеством дуг и таким образом, что они не пересекаются:

X п и = 0.

Рассмотрим логический подход к задаче минимизации числа точек контроля для оценки качества функционирования системы охлаждения тепловоза [2].

Для графа, изображенного на рисунке 4, записывается логическое высказывание, имеющее вид конъюнкции элементарных дизъюнкций, то есть конъюнктивную нормальную форму. Основываясь на законах алгебры логики, полученную конъюнктивную нормальную функцию (КНФ) преобразуем в дизъюнктивную нормальную функцию (ДНФ), т.е. после логического перемножения скобок и приведения подобных получим выражение в виде суммы слагаемых, являющихся простыми импликантами ДНФ. Каждый простой импликант ДНФ и будет представлять собой МВУП. Однако выявление семейства МВУП еще не ликвидирует затруднительное положение, связанное с тем, что из большого числа этих множеств необходимо выбрать одно - наиболее информативное.

Число импликантов в ДНФ:

Я = %,

I=1

где р - число групп скобок с разным числом вершин в КНФ; V- число вершин в скобке ¡-й группы; £ - число скобок ¡-й группы.

Для граф-модели системы охлаждения тепловоза число импликантов R = 15. 217 • 310 • 41 = 3,09-1010.

С таким исходным материалом дальнейшая работа по минимизации с использованием только логического подхода представляется затруднительной.

Трудности, связанные с нахождением оптимального МВУП, могут быть преодолены путем применения практических алгоритмов минимизации набора контролируемых параметров, использующих логический и алгебраический подходы [2, 3]. Представленный ниже алгоритм позволяет находить оптимальное подмножество параметров для контроля работоспособности объекта исследования в графе практически любой сложности.

Первое логическое действие - подсчет повторяемости вершин в импликантах, или подсчет голосов. Число голосов ¡-й вершины

и 1

^ = Я* — ,

7=1Ц

где И - число скобок в КНФ, в которой находится ¡-я вершина; Ц - число вершин в 7-й скобке, в которой находится ¡-я вершина.

Информативность параметра оценивается путем введения относительного показателя информативности:

I , ч

1СЛ = I

1 &

где 1(2) - количество информации о состоянии параметра 2,; 1(2/2,) - количество информации о состоянии параметра 2/, получаемое при контроле 2,.

Ввиду отсутствия количественных данных о вероятностях состояния параметров в соответствии с рекомендациями работы [3] можно ограничиться относительной оценкой количества информации 1(2, ) = 5 и 1(2/2,) = 1 для всех вершин в любых случаях.

Для включения параметров в МВУП необходимо оценить доступность всех вершин графа (Ь2,). Доступность параметров контролю оценивается по пятибалльной системе и рассматривается как относительная эффективность измерения данного параметра [3].

Сводный показатель информативности и доступности

р = .

Для определения числа вершин, входящих в МВУП, составляется матрица смежности Б (рисунок 5) в соответствии с нумерацией вершин, удовлетворяющая условию отображения отбрасываемых вершин в отобранных при минимизации. Нумерация вершин граф-модели, необходимая для нахождения МВУП, производится в порядке убывания сводного показателя информативности и доступности. Столбцы матрицы — состоят из вершин с меньшими порядковыми номерами, имеющими больший сводный показатель.

т со т охв т 1 вмт Р в2 Р в3 п вн О вн О вх т' 1 мд т' воз т \ Р в4 Р в1 т мд V 'о

т л воз 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

т 1 о 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

V о 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

О о 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

п вх 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

V г вмт 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0

V * охв 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0

V г со 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0

О со 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

О охв 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

п пр 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

О вмт 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

О пр 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

О вн 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0

О охв 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

О вмт 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

О вх 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1

О со 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1

Рисунок 5 - Матрица смежности —

Условие отображения выполнено: ни одна строка подматрицы — не состоит из нулевого элемента.

Приведенный выше алгоритм позволил найти формализованное решение задачи минимизации количества параметров контроля: для интенсификации текущего технического состояния системы охлаждения тепловоза необходимо контролировать следующую совокупность параметров:

_ Г / I) I) '/' '/' * '/' * '/'

2т1п _ \ Пвн , Свн , р в1, Рв2 , Т охв , Т мд , Т воз , Т со ;

'I  'I  грГ , ^ т л ' 7") ")

Т мд , Т вмт , Т о , Чх , Рв3 , ^о , Рв4 ) .

Основываясь на сопоставлении полученного множества 2т1П и номенклатуры контролируемых параметров, указываемых в практической технической литературе и нормативно-

технической документации, можно сделать вывод об адекватности как полученных результатов, так и предлагаемого подхода к решению задачи оптимизации количества параметров контроля исследуемой системы тепловоза с помощью графоаналитических методов.

Однако так как конечный результат по выбору минимальной совокупности параметров зависит от характера решаемой задачи, то в условиях эксплуатации с учетом технической возможности измерения число параметров контроля может быть сокращено:

f _ {р р Т Т f Т f Т Т .

min \ в1 > в2> охв? мд ? воз ? со ? мд?

Т Т' Р Р }

вмт ' о ' вЗ ' в4 )

По изложенной методике были выполнены построение и анализ граф-модели функционирования дизель-генераторной установки тепловоза в целом, в результате чего с учетом технических возможностей измерения и экономической целесообразности сформирован следующий перечень контролируемых параметров (в скобках указана позиция расположения соответствующей контрольной точки на тепловозе типа ТЭ10 (рисунок 6)): ток тягового генератора (2), напряжение тягового генератора (3), позиция контроллера машиниста, датчик уровня топлива в баке (1), частота вращения коленвала дизеля (4), температура и давление наддувочного воздуха после охладителя надувочного воздуха (5), температура выпускных газов перед турбиной (6), частота вращения ротора турбокомпрессора (7), температура воды дизеля (8), температура масла дизеля (9), давление топлива после фильтра тонкой очистки (10), температура воды на входе в охладитель наддувочного воздуха (12), температура масла после теплообменника (13), давление масла после фильтра грубой очистки (14), давление топлива до фильтра тонкой очистки (11), давление выпускных газов перед турбиной (15), температура воды в системе охлаждения (18), частота вращения вентилятора холодильника (16), давление наддува после компрессора (17), уровень масла в картере дизеля (19).

Рисунок 6 - Расположение контрольных точек на тепловозе

Сформированная совокупность параметров контроля используется для дальнейших исследований в направлении создания математической модели для оценки и прогнозирования теплотехнического и экологического состояния дизель-генераторной установки и функцио -нальных свойств тепловоза.

Таким образом, выполненные исследования показали, что процессы функционирования системы охлаждения тепловоза могут быть представлены граф-моделью, построенной в пространстве параметров.

Обработка граф-моделей с использованием практических алгоритмов минимизации позволяет сформировать совокупность параметров контроля для оценки качества работы как отдельных систем, так и тепловоза в целом.

Учитывая возможности и свойства граф-моделей, их можно рекомендовать к использованию в задачах оптимизации количества параметров контроля сложных объектов.

Список литературы

1. Бервинов, В. И. Техническое диагностирование локомотивов [Текст] / В. И. Бервинов / УМК МПС РФ. М, 1998. - 193 с.; 21 см. - Библиогр.: с. 187, 188. - 3000 экз. - ISBN 5-89035004-8.

2. Осис, Я. Я. Диагностирование на граф-моделях: На примерах авиационной и автомобильной техники [Текст] / Я. Я. Осис, Я. А. Гельфандбейн. - М.: Транспорт, 1991. - 244 с.; 22 см. - Библиогр.: с. 239 - 243. - 3000 экз. - ISBN 5-277-006-49-4.

3. Пушкарев, И. Ф. Контроль и оценка технического состояния тепловозов [Текст] / П. Ф. Пушкарев, Э. А. Пахомов. - М.: Транспорт, 1985. - 162 с.; 22 см. - Библиогр.: с. 161. -9000 экз.

4. Тепловоз ТЭ10М. Руководство по эксплуатации [Текст] / Под ред. М. П. Сазоновой -М.: Транспорт, 1985. - 421 с.; 24 см. - 40000 экз.

УДК 629.424.3: 621.436.03.001.42

П. Н. Блинов, А. П. Блинов

АВТОМАТИЗАЦИЯ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ТОПЛИВНОЙ И РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

В статье приводятся теоретические и практические подходы к автоматизации диагностирования на специальном оборудовании некоторых ответственных узлов тепловозных дизелей, таких как топливные насосы высокого давления, форсунки, нагнетательные трубопроводы и регуляторы частоты вращения и мощности. Предлагаемые инновации позволят значительно повысить качество настройки топливной аппаратуры, исключив человеческий фактор, повысить производительность и условия труда работников ремонтных локомотивных депо, создать на стендах условия работы аппаратуры, максимально приближенные к реальным условиям их эксплуатации на тепловозе.

Комплексной программой реорганизации и развития отечественного локомотивострое-ния, организации ремонта и эксплуатации подвижного состава с целью роста производительности труда, улучшения условий и качества труда в локомотивном хозяйстве предусмотрено всемерное внедрение средств автоматизации технологических процессов ремонта и настройки деталей и узлов локомотивов.

В настоящее время при значительном объеме автоматизации технологических операций ремонта локомотивов «узким местом» остается автоматизация диагностирования на специальном оборудовании некоторых ответственных узлов тепловозных дизелей, к которым следует отнести топливные насосы высокого давления (ТНВД), форсунки, нагнетательные трубопроводы и регуляторы частоты вращения и мощности (РЧО). Автоматизация этих операций позволит значительно повысить качество настройки топливной аппаратуры (ТА), исключив человеческий фактор, повысить производительность и условия труда работников ремонтных локомотивных депо, создать на стендах условия работы аппаратуры максимально приближенные к реальным условиям их эксплуатации на тепловозе.

Известно, что обобщенные гидравлические характеристики (ОГХ) элементов ТА оказывают существенное влияние на показатели топливоподачи [1]. С целью снижения неравномерности подачи топлива по цилиндрам дизеля необходим подбор комплектов ТА с учетом ОГХ элементов. Для этого ремонтные предприятия должны быть обеспечены соответствующими средствами контроля, отвечающими следующим требованиям: достаточная точность (класс точности - не ниже 0,5 - 1,0); воспроизводство условий контроля, близких к реальным