Диагностика и регулировка тепловозов - Поиск неисправностей в электрических цепях тепловозов

ПОИСК НЕИСПРАВНОСТЕЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ ТЕПЛОВОЗОВ
Опыт эксплуатации показал, что из общего числа неисправностей, приводящих к неплановым ремонтам и срывам графика движения поездов, более 30% вызываются неисправностями в электрических цепях тепловозов. Анализ распределения времени восстановительного ремонта по отказам в электрических цепях тепловозов 2ТЭ10Л выявил следующее: на установление неисправности в электрических цепях управления затрачивается до 3% затрат времени на обнаружение и устранение неисправности; на отыскание неисправного участка цепи и установление характера неисправности затрачивается 50—55% времени; на подбор запасных частей и устранение неисправности затрачивается около 30% времени простоя в ремонте; на проверку работоспособности тепловоза после устранения отказа затрачивается до 10% времени ремонта [30].
Обнаружение и устранение отказов и неисправностей в эксплуатации и при техническом обслуживании ТО-1 подтвердили необходимость обязательной плановой проверки электрических цепей в условиях депо с применением современных методов и средств контроля.
Для контрольных проверок в электрических цепях электровозов ВЗИИТом разработаны встроенные устройства поиска неисправностей (УПН) и универсальная машина-автомат для автоматической проверки электрооборудования. При этом создан универсальный метод определения места расположения и числа контрольных точек в цепях управления, основанный на теории графов. На основе этого метода создаются устройства для поиска неисправностей в цепях тепловозов, а также применяются различные логические схемы для ускорения процесса обнаружения отказов.
Логические схемы для оперативного поиска неисправностей являются начальным шагом внедрения автоматизированного обнаружения отказов в электрических цепях. Дальнейшее внедрение технической диагностики связано с разработкой автоматов обнаружения отказов как стационарных, так и встроенных.
Процесс обнаружения отказов в электрических цепях включает: измерение выходных параметров различных функциональных элементов или их контроль; логическую обработку результатов измерения и контроля; выбор последовательности выполнения измерительных и контрольных операций; осуществление коммутации.
Измерение выходных параметров функциональных элементов и их контроль, логическая обработка результатов и необходимая коммутация могут осуществляться автоматически в соответствии с заранее заданной человеком последовательностью выполнения операций. Это и составляет сущность автоматизированного обнаружения отказов, разрабатываемого ХИИТом.
Следует заметить, что автоматизировать обнаружение отказов можно также при одновременном контроле выходных реакций всех функциональных элементов. В этом случае, очевидно, отпадает необходимость выбора последовательности выполнения контрольных операций и коммутации.
Устройства, реализующие такой способ автоматизированного обнаружения отказов, будем называть в дальнейшем некоммутирующими автоматами. Процесс обнаружения отказов такого рода автоматом сводится к одновременному контролю выходных параметров всех функциональных элементов проверяемой цепи и логической обработке результатов этого контроля для установления места возникновения отказа. Применение автоматов обычно целесообразно в тех случаях, когда число функциональных элементов невелико.
Рассмотрим один из возможных способов логической обработки результатов контроля выходных параметров, основанный на применении избирательных схем, разработанных для вычислительных машин дискретного действия. Пусть задана функциональная схема электрической цепи тепловоза, в которой нужно автоматически определять место возникновения отказа. Будем считать, что число функциональных элементов т этой схемы не очень большое и поэтому рационально применение некоммутирующего автомата. Кроме того, для простоты примем, что т=4 и все элементы заданной функциональной схемы соединены последовательно (рис. 51).

Рис. 51. Пример функциональной схемы из четырех элементов

Пусть выходная реакция каждого функционального элемента контролируется датчиком, работающим по принципу «Годен» — «Не годен». Это означает, что датчик имеет высокий потенциал, обозначаемый дальше единицей, если выходная реакция имеет номинальное значение и низкий потенциал, обозначаемый дальше нулем, если значение выходной реакции отличается от номинального недопустимо сильно. При таком кодировании нормальное состояние схемы может быть записано двоичным числом, содержащим четыре единицы 1111, так как все датчики в этом случае дают высокий потенциал.
Если в схеме откажет, например, второй функциональный элемент, то датчик на выходе первого выдаст состояние «1», а все остальные — состояния «0». Это состояние схемы запишется двоичным числом 1000. При отказе четвертого функционального элемента состояние схемы запишется двоичным числом 1110 и т. д. В табл. 12 выписаны коды всех возможных в схеме (см. рис. 51) состояний. Они соответствуют как одиночным отказам каждого функционального элемента, так и одновременным отказам нескольких элементов, хотя в первом столбце таблицы оговорен только случай отказа одного элемента.

Таблица 12

Рис. 52. Прямоугольная избирательная схема на четыре входа

Из таблицы видно, что отказу каждого функционального элемента соответствует свое определенное число, записанное в двоичном коде. Совокупность датчиков, контролирующая функциональную схему, дает это число, характеризующее кодовое обозначение состояния схемы. Поэтому логическая обработка результатов контроля сводится в данном случае к определению некоторого числа В по его известному представлению в двоичном коде. Такая задача может быть решена с использованием прямоугольной избирательной схемы.
Рассмотрим прямоугольную избирательную схему на четыре входа, изображенную на рис. 52. При подаче на входы избирательной схемы кодовой комбинации, соответствующей числу В, сигнал, равный единице, появляется только на выходе с номером В. Так, например, если на входы подать кодовую комбинацию 1010, то на десятом выходе будет высокий потенциал, а на всех остальных — низкий. При наличии четырех входов прямоугольная избирательная схема имеет 24, т. е. 16 выходов, что соответствует всем возможным кодовым комбинациям для четырех разрядов.
Для того чтобы использовать такую схему при логической обработке результатов контроля в изображенной на рис. 51 функциональной схеме, необходимо сигналы от датчиков, контролирующих выходные реакции в точках а, б, в, г, подать соответственно на входы α3, α2, α1, α0, изображенные на рис. 52. Кроме того, важно учесть, что в рассматриваемом случае возможны не все 16 комбинаций, характерных для четырехразрядных двоичных чисел, а имеют место только те из них, которые разрешены функциональными связями в контролируемой схеме и выписаны в табл. 12. Если учесть это обстоятельство, то окажется, что в схеме (см. рис. 52) из 16 выходов будет использовано только пять с номерами 0; 8; 12; 14 и 15, которые соответствуют числам, записанным в двоичном коде в табл. 12. Все элементы прямоугольной избирательной схемы, изображенной на рис. 52, связанные с неиспользующимися выходами, могут быть опущены.
Тогда схема части автомата, обеспечивающего логическую обработку результатов контроля выходных реакций в заданной функциональной схеме, будет иметь вид, изображенный на рис. 53. Рассмотрим кратко ее работу. Пусть все элементы заданной функциональной схемы исправны. Тогда все датчики, установленные в точках а, б, в, г функциональной схемы, выдают сигнал 1 (высокий потенциал). 

Рис. 53. Схема части автомата логической обработки результатов контроля схемы

Следовательно, входные шины α3, α2, α1, α0 имеют высокий потенциал, диоды Д1, Д2, Д3 и Д4 заперты и на выходе 15 есть сигнал 1, который может быть использован для включения транспаранта «Все исправно». На всех остальных выходах в этом случае сигнал 1 отсутствует и ни какой другой транспарант не включится. В этом нетрудно убедиться, если учесть, что на всех шинах α3, α2, α1, α0  будут в этом случае низкие потенциалы, полученные инверсией в схемах «НЕ» из поданных на входы высоких потенциалов и, значит, диоды Д5, Д9, Д10, Д13, Д14, Д10, Д17, Д18, Д19, Д20 будут открыты.
В случае отказа, например, третьего функционального элемента от датчиков контрольных точек а и б на шины α3 и α2 будут поданы высокие потенциалы, а от датчиков точек в и г на шины — низкие. Это приведет к тому, что шиныбудут иметь высокие потенциалы, диоды Д9, Д10, Д11, Д12 закроются и на выходе 12 появится сигнал 1. На всех остальных выходах сигналы в этом случае будут отсутствовать и никакой другой транспарант не будет включен. Действительно, на выходе 15 теперь сигнала 1 нет потому, что открыты диоды Д1, Д2, на выходе 14 его нет потому, что открыт диод Д6, и т. д.
Аналогичные процессы происходят в схеме и при отказе любого другого функционального элемента. Таким образом обеспечивается однозначное определение отказавшего функционального элемента без какой-либо дополнительной коммутации, что характерно для некоммутирующих автоматов.
Заметим, что схема пригодна для обнаружения отказов только в заданной функциональной схеме, изображенной на рис. 51. Любое изменение числа элементов в функциональной схеме, числа контролируемых реакций или функциональных связей требует соответствующего видоизменения рассматриваемой схемы логической части автомата обнаружения отказов. Изложенный принцип ее действия при этом сохраняется, но изменяется число используемых входов и выходов, а значит, и число необходимых для ее реализации элементов.

Таблица 13

Если есть необходимость проектировать универсальный некоммутирующий автомат, пригодный для обнаружения отказов в различных функциональных схемах, то   надо для логической обработки результатов контроля использовать полную прямоугольную избирательную схему, число входов которой совпадает с числом контролируемых реакций. Можно показать, что общее количество диодов, которое необходимо для прямоугольной избирательной схемы, определяется соотношением где кПр — количество диодов, необходимых для полной прямоугольной избирательной схемы; п — число контролируемых реакций.
Количество требующихся диодов при различном числе контролируемых реакций указано в табл. 13. Там же указано число выходов прямоугольной избирательной схемы.
Из таблицы видно, что количество требующихся диодов быстро увеличивается с ростом числа контролируемых реакций. Поэтому проектирование универсальных некоммутирующих автоматов при большом числе контролируемых реакций нецелесообразно.
Упрощение избирательных схем, которое достигается при использовании только разрешенных контролируемой функциональной схемой кодовых комбинаций, значительно сокращает количество требующихся диодов. Так, например, для полной прямоугольной избирательной схемы на четыре входа необходимо 64 диода, в то время как в вышерассмотренном случае для контроля четырех последовательно соединенных функциональных элементов оказалась достаточной схема, в которой используется всего 20 диодов. Это позволяет считать целесообразным применение специализированных некоммутирующих автоматов, предназначенных для обнаружения отказов в схемах с постоянными заданными функциональными связями.
Коммутирующие автоматы в отличие от только что рассмотренных выполняют определенную последовательность контрольных операций, по завершении которой выдается решение о месте возникновения отказа. Процесс логической обработки результатов выполнения одиночной контрольной операции более простой, чем обработка результатов одновременного контроля большого числа функциональных элементов, входящих в контролируемую аппаратуру. Поэтому он может быть выполнен с использованием более простых средств. Однако это не означает, что значительно упрощается и схема всего автомата, так как, кроме логической обработки результатов одиночных контрольных операций, теперь возникает необходимость в обеспечении нужной коммутации.
Число датчиков, требующихся для автоматического контроля заданной системы или устройства, и их принцип действия сохраняются такими же, как и в случае использования некоммутирующих автоматов. В связи с этим остановимся несколько подробнее только на логической обработке результатов одиночных контрольных операций и вопросах обеспечения необходимой коммутации. Логическая обработка результатов любой одиночной контрольной операции обычно сводится к необходимости фиксации наличия или отсутствия сигнала от соответствующего датчика.
Такая логическая ячейка легко может быть образована из простейших логических элементов. На рис. 54 представлен один из возможных вариантов такой схемы. Опорный сигнал подается одновременно на обе схемы U в виде высокого потенциала. Сигнал αкi от контролирующего определенную реакцию ί-го датчика подается на схему U1 непосредственно, а на схему U2 через инвертор НЕ.

Рис. 54. Вариант схемы с логическим элементом

Если результат проверки положительный, т. е. если α0 и αкi: имеют значение 1, то схема выдает сигнал Q, который используется для включения следующей проверки. Сигнал Q' в этом случае на выходе схемы появиться не может. Если произойдет отказ i-го элемента, то αкi будет иметь значение 0, схема U1 выдать сигнал Q не сможет, но зато на выходе схемы U2 появится сигнал Q', который можно использовать либо для фиксации отказа i-го функционального элемента, либо для продолжения поиска, но уже в новом направлении. Таким образом, сигнал Q фиксирует наличие нормальной реакции на выходе i-го функционального элемента, а сигнал Q' — ее отсутствие.
Для коммутации прежде всего должна быть выбрана ее программа, т. е. должна быть определена последовательность выполнения одиночных контрольных операций. При решении этой задачи, так же как и при выборе последовательности проверок для неавтоматизированного обнаружения отказов, целесообразно искать оптимальное решение [36].
Критерием оптимальности в этом случае может являться эффективность одиночной j-й контрольной операции. Под стоимостью выполнения j-й контрольной операции сj понимается стоимость тех материально-технических затрат, которые необходимы для ее реализации. В первом приближении она определяется количеством контролируемых при j-й операции реакций, сложностью необходимых датчиков и длительностью выполнения измерений. Последний фактор имеет значение только в том случае, если к автомату предъявляются жесткие требования по его быстродействию.
Выбор проверки, обладающей максимальной эффективностью, каждый раз должен производиться из совокупности разрешенных в схеме контролируемой аппаратуры проверок, которая определяется вышерассмотренным способом. Возможно решение задачи выбора оптимальной последовательности выполнения контрольных операций и другими методами. В частности, достаточно строго она решается методами алгебры логики.

Рис. 55. Схема цепи пуска дизеля:
КЗ — замковый ключ; КМ — пальцы контроллера; ПД — кнопка дизеля; РВ1, РВ2 — реле времени; Д1, Д2, Д3 — пусковые контакторы; КМН — контактор масляного насоса; РУ3, РУ6, РУ7, РУ9 — реле управления; ЭТ — тяговый электромагнит; РДМ1 — контакт реле давления масла

Для своевременного обнаружения отказов необходимо иметь информацию о последовательности проверок, которые обязательно выполнять, и о способе этих проверок. Последовательность проверок, как правило, зависит от внутреннего метода обнаружения отказов, из которых наиболее приемлем и прост в эксплуатации метод характерных признаков. Этот метод предполагает наличие априорной информации о возможных характерных неисправностях по определенным внешним (косвенным) параметрам (симптомам). На основании предварительных расчетов энтропии информации по статистическим данным определяются симптомы (признаки неисправности) и основные варианты соответствующих возможных причин. Эти данные сводятся в таблицы, на основе которых строятся запоминающие устройства, служащие для механизации логического процесса обнаружения отказов в непрерывных объектах.
Процесс диагноза, как логический, включает в себя определение симптомов и заключение о состоянии машины. Эти утверждения могут быть истинными или ложными, при этом истинные обозначают 1, ложные — 0.
При разработке логических таблиц каждое из возможных состояний локомотива или его подсистемы представляют как логическую функцию симптомов и сводят эти функции в таблицу соответствия. В качестве примера рассмотрим цепь пуска дизеля тепловоза 2ТЭ10Л (рис. 55).
Возможные причины неисправностей в цепях пуска тепловозов по выбранным, наиболее часто встречающимся симптомам приведены в табл. 14. Поскольку причинами различных внешних проявлений могут явиться одни и те же неисправности, выбранные симптомы приведены в логическом соответствии с возможными причинами. На основании признаков отказов были построены таблицы, в которых соответствие положения реле и контакторов данному признаку обозначается 1, а несоответствие — 0. В табл. 15 приведены положения реле и контакторов в зависимости от признаков отказов в цепях пуска дизелей двухсекционных тепловозов 2ТЭ10Л (см. табл. 14). Диодная матрица-дешифратор и устройство с триодными одноступенчатыми усилителями, построенные по табл. 15, изображены на рис. 56.
Диодная матрица выполнена на диодах, усилители —  на триодах. 

Таблица 14

Продолжение

Логическое устройство питается от сети через понижающий трансформатор и выпрямительный мост, напряжение питания — 24 В. Непосредственно на тепловозе предусмотрено подсоединение к аккумуляторной батарее и автономное питание за счет установки в устройство комплекта элементов батареек 373.
Замкнутые контакты двухсекционных переключателей на схеме считаются истинным высказыванием признака неисправности (признак имеется), разомкнутые —  ложным (признак отсутствует). Зажженная лампочка считается истинным высказыванием о неисправности, погасшая — ложным (неисправности нет).

Рис. 56. Принципиальная схема логического устройства для определения неисправностей схемы пуска тепловозов 2ТЭ10Л по внешним признакам
Таблица 1

Если в строке имеется 00, то это обозначает, что положение данного аппарата на неисправность по данному признаку не влияет. Так как цепочка: провод 353, полуавтоматы «Топливный насос», провода 354, 355, 358 и размыкающие контакты реле РУ7 — в неисправности дважды — по признакам 5 и 16, то для нее строится отдельная шина.