Техническая диагностика — это научная дисциплина, исследующая формы проявления отказов в технических устройствах, разрабатывающая методы их обнаружения, а также принципы конструирования диагностических систем. Основные задачи технической диагностики можно сформулировать следующим образом:
построение математических моделей объектов диагностики; разработка программ проверки объектов;
выбор или создание технических средств проверки состояния объектов.
Таким образом, решение диагностической задачи предполагает необходимость характеристик трех видов:
объектов и явлений, выступающих в роли причин отклонений;
объектов и явлений, исполняющих роль следствии этих причин (т. е. самих отклонений);
процесса выявления их связей.
Диагностирование является в настоящее время одним из основных направлений совершенствования системы ремонта техники, повышения ее надежности в эксплуатации, так как оно способствует выявлению отказов случайного характера в межремонтные периоды.
Применение средств и методов технического диагностирования, позволяющих непрерывно или в дискретные моменты времени проверять состояние входных и выходных параметров локомотива, дает возможность ставить локомотив на ремонт в соответствии с его техническим состоянием. Это способствует резкому уменьшению количества отказов в период между плановыми ремонтами; увеличению степени использования ресурса сборочных единиц и деталей ТПС и снижению расхода запчастей и материалов при ремонтах; повышению экономичности работы локомотивов и безопасности движения.
Объектом технического диагностирования может являться как ЕТПС в целом (тепловоз, электровоз), так и ее составные элементы (агрегаты, сборочные единицы и детали), техническое состояние которых подлежит определению. Под техническим состоянием понимается совокупность подверженных изменению в процессе производства или эксплуатации свойств объекта, характеризуемая в определенный момент признаками, установленными технической документацией. Таким образом, техническое диагностирование — это процесс определения технического состояния объекта диагностирования с определенной (заданной) точностью. Различают общие системы диагностирования, объектом которых является изделие в целом (например, ЕТПС), и локальные, предназначенные для диагностирования составных частей изделия.
Средства технического диагностирования могут быть встроенными, внешними, универсальными, специализированными. Встроенное средство выполняется в общей конструкции с объектом диагностирования и при необходимости может осуществлять непрерывное диагностирование в процессе функционирования объекта. Внешнее средство существует отдельно от объекта и предназначается для диагностирования в дискретные моменты с определенной периодичностью. Универсальное средство используют для объектов диагностирования различного конструктивного выполнения и (или) функционального назначения. В отличие от него специализированное средство применяется только для однотипных объектов диагностирования.
Техническое состояние с помощью тех или иных средств устанавливают измерением комплекса диагностических параметров, определенных для объекта диагностирования при решении конкретной задачи. Под параметром вообще понимается всякая характеристика, отображающая физическую величину. Входные параметры характеризуют воздействия на объект диагностирования извне и делятся на задающие воздействия (тесты) п внешние возмущения.
Выходные параметры характеризуют реакцию объекта диагностирования на приложенные к нему возмущения или управляющие воздействия. К внутренним параметрам относятся структурные, характеризующие структуру объекта диагностирования, и функциональные, характеризующие протекание процессов в нем.
Параметры объекта в процессе эксплуатации под воздействием различных факторов изменяются. Это изменение, как правило, представляет собой случайный процесс. Под номинальным параметром понимается его количественная мера, установленная в нормативно-технической документации на объект диагностирования и характеризующая его работоспособное состояние.
Предельный параметр устанавливается нормативно-технической документацией из условия обеспечения минимума затрат, связанных с эксплуатацией и техническим обслуживанием объекта, или из условия обеспечения его максимальной безотказности за определенный период. При достижении предельного параметра дальнейшая эксплуатация объекта недопустима. Параметры между нижним и верхним пределами являются допустимыми.
В зависимости от применяемого алгоритма диагностирования и предъявляемых технических требований из всех параметров (признаков) технического состояния выбираются диагностические параметры, контролируемые в процессе диагностирования объекта, совокупность которых позволяет найти неисправность с заданной глубиной поиска дефекта.
Диагностические параметры (признаки) должны иметь следующие свойства:
однозначность, характеризуемую тем, что изменению параметра технического состояния объекта диагностирования соответствует вполне определенное изменение диагностического параметра;
воспроизводимость, характеризуемую возможностью измерения и получения аналогичных результатов на идентичных объектах диагностирования независимо от средств диагностирования, места и способа установки датчика на объекте и параметров окружающей среды;
селективную способность, т. е. возможность разделять повреждения отдельных элементов объекта диагностирования на основе специфического характера изменения или определенных значений диагностического параметра;
чувствительность, определяемую отношением возможного изменения диагностического параметра к изменению параметра технического состояния;
информативность, характеризуемую количеством информации, получаемой при использовании данного диагностического параметра.
При выборе диагностических параметров учитывается также стоимость диагностирования.
К совокупности основных вопросов, подлежащих решению при внедрении технической диагностики, следует отнести разработку методов, технических средств и стратегии (программы) диагностирования.
Содержание первой задачи и последовательность ее решения сводятся к формализации модели ЕТПС (или отдельных агрегатов, сборочных единиц) как функционирующей системы, к ее математическому описанию; выделению входных и выходных параметров, их взаимосвязи и определению совокупности контролируемых параметров; к разработке методики и средств аппаратурного анализа параметров. Вопросы разработки методов и технических средств диагностирования локомотивов, автоматизации процесса постановки диагноза находятся пока в стадии разработки и отражены в отдельных статьях.
В течение последних лет на железных дорогах применяется один из видов диагностики — автоматизированная система контроля технического состояния трущихся деталей локомотивов с использованием методов спектрального анализа смазки и обработки полученной информации на ЭВМ. По диагностике локомотивов имеется попытка обобщить имеющийся опыт в книге, подготовленной сотрудниками Харьковского института инженеров железнодорожного транспорта [30].
Разработка стратегии диагностирования включает такие задачи, как создание математических моделей для определения режима и периодичности постановки диагноза при соответствующих ограничениях и критериях оптимальности. Поскольку подробное изложение указанных вопросов является самостоятельной темой и не входит в задачи настоящей книги, здесь рассмотрим лишь теоретические и методические положения названных вопросов.
Работоспособность локомотива определяется качеством его изготовления (надежность, заложенная при создании) и износом (старением) сборочных единиц и деталей в эксплуатации (надежность, определяемая условиями эксплуатации и системой ремонта). Локомотив представляет собой сложный объект, характеризующийся множеством входных, внутренних и выходных параметров, отсутствием достаточной априорной информации о его внутренних состояниях и неявно выраженной блочной структурой.
Основным источником количественной информации о функционировании локомотива в условиях эксплуатации является непосредственный измерительный эксперимент, позволяющий получить параметры узлов, подсистем и локомотива в целом, а также количественную оценку условий эксперимента. Состояние локомотива можно определить путем анализа его выходных и внутренних параметров, в вариациях которых заложена вся информация о состоянии подсистем. Измерение отклонений обобщенных параметров дает возможность судить о состоянии локомотива, однако для установления причин ненормальных отклонений необходимо знать интенсивность влияния характеристик отдельных подсистем на обобщенные параметры. Наличие связи между отдельными параметрами (в том числе между выходными и внутренними) позволяет при постановке диагноза измерять не все множество параметров, характеризующее состояние системы и ее элементов, а лишь минимально необходимую их совокупность.
Для определения минимального количества контролируемых параметров существуют различные алгоритмы, при использовании которых, кроме критерия информативности каждого параметра, необходимо учитывать такие критерии, как доступность контроля и измерения, стоимость аппаратуры и время, необходимое для измерения.
Техническое состояние сборочной единицы (детали) определяется численными значениями выбранных контролируемых параметров X. Пусть x(t) — монотонная случайная функция времени (пробега) t, соответствующая контролируемому параметру, xв.э — предельный уровень параметра (граница браковочного допуска), пересечение которого реализациями случайного процесса приводит к отказам узла, а xв.р — предкритический уровень (граница ремонтного допуска) такой, что интервал
определяет упреждающий допуск.
Область (0, хв.р) изменения случайной функции называется исправным состоянием, область 
— состоянием профилактических ремонтов (регулировок, замен) и, наконец, область
— неработоспособным состоянием (отказом).
Примем следующие допущения относительно случайной функции x(t). Прежде всего пусть
т. е. сборочная единица, имеющая наработку t=0, находится в исправном состоянии с вероятностью единица. В момент t=T случайный процесс x(t) соответствует исправному состоянию с вероятностью
(144)
состоянию профилактических замен — с вероятностью
(145)
и неработоспособному состоянию — с вероятностью
(146)
Таким образом, распределение процесса по состояниям сборочных единиц подчиняется условию нормировки
Целью диагностирования является установление состояния сборочной единицы путем измерения параметра X, которое может осуществляться в отдельные моменты или же непрерывно. По этому признаку различают два вида диагностирования: непрерывное и дискретное, которые отличаются также по стоимости осуществления и своей технико-экономической эффективности.
Контролируемый параметр может быть определен различными способами, основными из которых являются: непосредственное (прямое) измерение; косвенное определение путем измерения взаимосвязанного параметра; прогнозирование на основании корреляционной или функциональной зависимости параметра от времени.
Первые два способа используются как на работающих локомотивах, так и во время их остановки. В последнем случае возможна частичная или полная разборка сборочной единицы, а также измерение без разборки. Для непосредственного или косвенного измерения применяют как серийные, так и специально разрабатываемые приборы, аппаратуру. Как правило, при этом используют электрические методы измерения неэлектрических величин.
В различных отраслях техники используется ряд косвенных методов определения технического состояния машин (спектральный анализ масла, виброакустические методы и т. п.). Однако для локомотивов по мере их усложнения и повышения интенсивности использования требуются разработка новых и совершенствование существующих методов и технических средств.
Основным вопросом при выборе стратегии диагностирования является определение - периодичности постановки диагноза. В зависимости от специфики диагностируемой сборочной единицы и принятого критерия оптимальности (например, заданный уровень безотказности или минимум затрат на осуществление диагностирования) могут применяться различные модели. Предположим, что в результате статистического исследования получено математическое описание случайного процесса изменения параметра x(t), известны значения хв.р в межремонтный период Тр.
Задача заключается в том, чтобы определить момент диагностирования Тд при заданном уровне безотказности. Для этого необходимо найти связь упреждения диагностирования τд=Тр—Тд с упреждающим допуском 
Рис. 54. Схема случайного процесса X(t) и модель «экранов»
Проверка технического состояния сборочной единицы выполняет роль своеобразного экрана: прозрачного при
и
поглощающего при
(рис. 54).
Момент проверки должен быть выбран таким, чтобы
В работе [31] доказана следующая теорема для модели экранов:
(147)
Для условий нашей задачи Т2=Тр и является величиной заданной. Поэтому выражение (147) является уравнением с неизвестным Т1=Тд, его можно решить, во всяком случае, численными методами. Выбор Тд, удовлетворяющего выражение (147), обеспечивает такое расположение экранов, при котором все траектории процесса x(t), прошедшие через горизонтальный экран ab, попадают на вертикальный экран bс (см. рис. 54). Иными словами, если параметр в момент диагностирования Тд не пересек уровня хв.р, то без его регулировки за время τд=Тр—Тд не наступит отказа, т. е. параметр не примет значение
Горизонтальный экран ab будет поглощающим при наличии непрерывного контроля или индикации достижения предкритического уровня xв.р. В таком случае момент Т1 пересечения уровня процессом x(t) становится известным, и уравнение (147) можно применять для определения Т2, т. е. корректировки межремонтного срока Тр=Т2.
Рассмотренный подход может быть использован для определения сроков диагностирования всех сборочных единиц и агрегатов локомотивов с учетом специфики влияния изменения их параметров на техническое состояние локомотива, его надежность, экономичность, безопасность движения. В дальнейшем необходимо увязать эти сроки с периодичностью проведения плановых технических обслуживании и ремонтов, что позволит сделать систему ремонта дифференцированной и соответствующей фактическому уровню надежности локомотивов в конкретных условиях эксплуатации.