Автоматизация контроля технического состояния стрелочных электроприводов

Высокая интенсивность использования технических средств железнодорожного транспорта обусловливает необходимость внедрения достижений научно-технического прогресса, передовых методов труда, радикальной реформы управления перевозочным процессом [12].

Решение этих задач во многом обеспечивается на основе внедрения современных средств автоматизации и контроля технического состояния устройств железнодорожной автоматики.

Устройства железнодорожной автоматики и телемеханики состоят из большого количества датчиков и исполнительных устройств, расположенных непосредственно на железнодорожных путях в естественных условиях эксплуатации.

Стрелочные переводы оборудованы электроприводами серии СП (СП-6МСП-3- СП-12УСПГ-3 и СПГБ-4М), которые выпускаются более 50 лет. На Российских железных дорогах около 13 тысяч переездов оборудовано автошлагбаумами, около 20 тысяч переездов имеют звуковую и световую автоматическую сигнализацию, действуют более 350 тысяч светофоров [2- 3- 4].

В целом системы электрической. централизации стрелок с электроприводами серии СП обеспечивают работу станций и перевозочный процесс со скоростями движения поездов до 160 км/ч.

Принятая в 2002 году «Федеральная, целевая программа модернизации транспортной системы России на 2002 — 2010 годы» и распоряжение президента ОАО «РЖД» от 28.12.2004 г. № 4194 «Об организации скоростного и высокоскоростного железнодорожного движения на участке Санкт-ПетербургМосква» предполагает повышение скорости движения поездов по основным направлениям (на главном ходу) к 2010 году до 200 км/ч, с последующим увеличением скорости движения до 350 км/ч.

Непрерывно идут качественные изменения верхнего строения пути, технологии его содержания, намечены мероприятия по увеличению массы и длины составов.

Применяемые в настоящее время стрелочные электроприводы (СП), стрелочная гарнитура и способ их установки на стрелку не могут обеспечить увеличение требуемых скоростей движения поездов на безопасном уровне. Усовершенствовать серийные технические средства перевода стрелок практически не удается, так как запас совершенствования их конструктивных возможностей исчерпан.

Содержание СП, стрелочной гарнитуры, переездного оборудования, светофоров, кабельных муфт, релейных шкафов и другого напольного оборудования в рабочем состоянии в условиях эксплуатации требует постоянных, значительных затрат. На протяжении многих десятилетий используется и совершенствуется система планово-предупредительных осмотров и ремонтов устройств СЦБ (включая стрелочное оборудование), т. е. система осмотров и ремонтов с нормативной периодичностью и регламентным составом основных видов работ.

При этом используются единые технология и организация выполнения технологического обслуживания. Такая система технического содержания напольного оборудования в рабочем состоянии отвлекает на эти цели значительные человеческие ресурсы.

Практически полностью отсутствует автоматизированный контроль и техническая диагностика СП (за исключением уровня изоляции и контроля напряжения и тока фаз двигателя). Контроль фактического положения остряков стрелки в требуемом виде отсутствует.

Состояние и достижение науки и производства на современном этапе позволяют использовать иные принципы и структурные методы построения конструкции напольного оборудования, применять новые конструктивные решения, материалы, безлюдные" (или малообслуживаемые) технологии, которые призваны значительно повысить надежность, безопасность и обеспечить их работу с минимальными затратами в эксплуатации [99].

В связи с этим возникает острая необходимость приведения технических возможностей устройств железнодорожной автоматики и телемеханики к современным требованиям безопасности, ресурсосбережениям и технологичности, на основе научно обоснованных конструктивных принципов, достижений науки в области новых материалов, производства, технологий и автоматизации контроля технического состояния СП.

Анализ отказов устройств сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) показывает, что около 85% отказов являются эксплуатационными, остальные — заводскими или конструктивными. Отказы СП составляют более 28% от общего числа отказов. Поэтому важнейшей задачей эффективной эксплуатации стрелочных электроприводов является обеспечение надежной работы, в первую очередь, стрелочного электродвигателя и автопереключателя, рабочих и контрольных ножевых контактов [2-.4- 5].

В современных экономических условиях повышение надежности работы СП, находящихся в эксплуатации, осуществляется за счет модернизации наиболее ответственных узлов и деталей, совершенствования системы технического обслуживания и ремонта их при сокращении эксплуатационных расходов. Суммарные расходы хозяйства сигнализации и блокировки составляют 45% от общих эксплуатационных расходов сети железных дорог. Из них около 30% затрачивается на техническое обслуживание, ремонт СП, а также другого оборудования элементов перевода стрелок [22].

Снижение эксплуатационных расходов за счет внедрения энергосберегающих технологий при обслуживании и ремонте устройств железнодорожной автоматики является одним из основных требований отраслевой научно — технической программы МПС России «Программа энергосбережения на железнодорожном транспорте на 1998;2000гг. и на перспективу до 2005 года», утвержденной указанием МПС от 19.10.98 №Б-1166у. Одним из основных направлений ресурсосбережение связанных с износом узлов и деталей, является внедрение современных технологий диагностирования и восстановления [1- 22].

В настоящей работе рассматривается состояние обеспечения безопасности движения поездов и приводится анализ технических средств железнодорожной автоматики стрелочных отечественных переводов и зарубежных аналогов. Рассмотрены вопросы автоматизации контроля надежности и безопасности, а также методы их обеспечения на этапе проектирования и эксплуатации устройств железнодорожной автоматики стрелочных переводов. Изложены основы построения диагностики СП.

Значительный вклад в разработку автоматизированных систем контроля технического состояния устройств железнодорожной автоматики, диагностики, прогнозирования и обеспечения безопасности движения поездов внесли известные отечественные ученые:

В.М.Абрамов, В. М. Алексеев, JI.A. Баранов, И. В. Беляков, П. Ф. Бестемьянов,.

A.M. Брылеев, Ю. Г. Боровков, Д. В. Гавзов, А. В. Горелик, Г. В. Горелов, И. Е. Дмитренко, Е. В. Ерофеев, Ю. А. Кравцов., А. А. Красногоров, И. М. Кокурин,.

B.М. Лисенков, Е. Ю. Минаков, Б. Д. Никифоров, А. С. Переборов, Н. Ф. Котляренко, Н. Ф. Пенкин, В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, Д. В. Шалягин, А. П. Шишляков и другие.

Основные эксплуатационные характеристики СП с электродвигателями постоянного тока в значительной мере определяются их коммутационной устойчивостью. Проблема ее повышения и автоматизация контроля является актуальной задачей на пути совершенствования электроприводов. Решение данной задачи требует глубоких теоретических и экспериментальных исследований в области коммутации, позволяющих выяснить причины возникновения искрения под щетками электродвигателя в различных режимах их работы, и определить меры по их устранению.

В то же время используемые сегодня методы оценки коммутации и обеспечения высокой коммутационной устойчивости коллекторных электрических машин недостаточно полно изучены. Поэтому требуется дальнейшее развитие методов и устройств для исследования влияния различных факторов на процессы коммутации, сравнительной оценки интенсивности искрения однотипных стрелочных электродвигателей постоянного тока (МСП) и контроль их технического состояния. Актуальность поставленной задачи связана с разработкой автоматизированных систем контроля СП, позволяющих исключить человеческий фактор из процесса измерения.

Следовательно, разработка и внедрение автоматизации контроля, и совершенствование методов и средств диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла СП являются актуальной задачей, решение которой позволяет снизить количество внезапных отказов в следствии некачественного ремонта и неудовлетворительного технического обслуживания.

Настоящая работа является частью комплексных исследований в области автоматизации контроля технического состояния СП, которые проводились кафедрой «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» Российского государственного открытого университета путей сообщения (г. Москва).

Целью диссертационной работы является разработка методов автоматизации контроля технического состояния СП в условиях эксплуатации железных дорог и массового производства.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования проведены с использованием методов теории информации, теории линейных цепей, теории графов, распознавания образов и методов планирования эксперимента.

Основные расчетные соотношения получены с применением дифференциального и интегрального исчислений. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанных модельных установках на базе стрелочного электропривода типа СП-6М на действующих стрелочных электроприводах сортировочной станции Анисовка Приволжской железной дороги и на Саратовском электротехническом заводе «Автоматика и телемеханика». Испытания СП проводились в динамическом и статическом режимах работы с использованием метода математического планирования эксперимента.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что в ней:

1. Разработан способ автоматизированного контроля технического состояния цепей управления СП.

2. Обоснована целесообразность проведения автоматизированного контроля качества коммутации на основе оценки среднеинтегральной и максимальной длительности дуговых импульсов искрения.

3. Получены уравнения регрессии влияния тока перевода на выходные параметры (обороты якоря электродвигателя, коэффициент мощности coscp и длительность импульсов искрения т). Установлено, что электродвигатели с нарушением условий коммутации имеют коэффициент мощности cos (p в пределах от 0,294 до 0,421. Это позволило использовать коэффициент мощности cos (p в качестве критерия оценки коммутации по фазовому сдвигу между величиной силы тока перевода и напряжением питания.

4. Получены эмпирические зависимости величины силы тока перевода от времени для различных технических состояний СП, которые положены в основу разработки автоматизированной системы контроля технического состояния стрелочных электроприводов.

5. Предложена параметрическая модель СП для выбора эффективных параметров контроля.

Достоверность научных положений и выводов.

В диссертации проанализированы и обобщены отечественные и зарубежные исследования по выбранному научному направлению. Результаты научно-исследовательских работ определяются корректностью постановки теоретических задач, использованием данных официальной статистики и подтверждены положительными результатами при разработке: новых стрелочных электродвигателей и диагностического испытательного стенда на Саратовском электротехническом заводе «Автоматика и телемеханика» испытательного диагностического стенда в КИПе Саратовской дистанции сигнализации и блокировки Приволжской железной дороги.

Практическая ценность.

1. Предложенные в диссертации методы оценки технического состояния СП позволили объективно оценить качество коммутации коллекторно-щеточного узла электродвигателя (КЩУ) и техническое состояние цепи управления по критериям надежности, безопасности и экономической эффективности.

2. Применение методов контроля технического состояния цепи управления СП и оценки качества коммутации КЩУ электродвигателя позволили повысить эффективность методов технического обслуживания СП и их гарнитуры, снизить затраты труда обслуживающего персонала.

3. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны практические рекомендации для Саратовского электротехнического завода «Автоматика и телемеханика» по повышению коммутационной устойчивости серийно выпускаемых стрелочных электродвигателей постоянного тока типов МСП-0,25 и МСП-0,15.

Реализация результатов работы. Разработанные методы автоматизации контроля технического состояния электроприводов внедрены на Саратовском электротехническом заводе «Автоматика и телемеханика», а также на Саратовской дистанции сигнализации и блокировки Приволжской железной дороги.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались в период с 2002 по 2005 годы на заседаниях кафедры «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» Российского государственного открытого технического университета путей сообщения (г. Москва), на научно-техническом совете Саратовского электротехнического завода «Автоматика и телемеханика» в 2005 г. (г. Саратов), на межвузовской научно-практической конференции «Проблемы железнодорожного транспорта в условиях реформирования отрасли» в Поволжском филиале РГОТУПС в 2004 г. (г. Саратов), на техническом совещании Департамента автоматики и телемеханики ОАО «РЖД» в августе 2005 г. (г. С-Петербург).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано восемь научных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований, 3-х приложений на 15 страницах. Диссертация содержит 169 страниц основного текста, 55 рисунков и 23 таблицы.

4.6. Выводы по главе.

1. Разработанное устройство обработки и накопления информации о распределении импульсов искрения по коллектору позволяет обрабатывать и формировать информацию о длительности каждого импульса искрения и времени его появления в рабочем режиме объекта контроля.

2. С целью повышения надежности и достоверности информации о техническом состоянии цепи управления и контроля, разработана ж w принципиальная схема автоматизированного диагностического устройства, состоящая из портативного электронного блока, служащего для сбора и цифровой обработки диагностической информации.

3. Расчет погрешностей измерительного процесса автоматизированного контроля показал, что автоматизированная система контроля может быть использована для оценки технического состояния СП.

4. Разработанная автоматизированная технологическая линия контроля ф параметров стрелочных электродвигателей постоянного и переменного тока применяется в условиях массового производства для приемо — сдаточных испытаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате исследований разработана система автоматизации контроля СП с элементами диагностики и прогнозирования отказов.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. В результате анализа научно-технической и патентной литературы установлено, что значительная часть отказов СП приходится на коммутационные повреждения, связанные с неудовлетворительной работой КЩУ. Существующие конструкции СП и стрелочных переводов не имеют автоматизированных систем контроля технического состояния, что приводит к возникновению неконтролируемых отказов. Обоснована принципиальная возможность автоматизации контроля технического состояния СП, что обеспечит качественно новый подход к контролю электропривода и стрелочного перевода, как единого технического комплекса, для обеспечения безопасности движения поездов в условиях эксплуатации на железных дорогах России.

2 Установлено, что на процесс коммутации влияют следующие параметры: наличие кругового огня по коллектору, значение оборотов якоря электродвигателя, значение и форма тока разрыва, температура коллектора, наличие максимального уровня искрения в коллекторно-щеточном узле электродвигателя, наличие электроэрозионного износа коллектора и щеток, наличие среднего уровня искрения в коллекторно-щеточном узле электродвигателя.

3. Разработано автоматизированное входное устройство для контроля эффективных параметров искрения КЩУ электродвигателя и методика, позволяющая определить частоту среза фильтра, а также опорное напряжение компаратора.

4. Доказана необходимость контроля качества коммутации по среднеинтегральной и максимальной длительности дуговых импульсов. Данные параметры характеризуют износ контактной пары.

5. Методом математического планирования эксперимента получены уравнения регрессии влияния тока перевода на выходные параметры (обороты якоря электродвигателя, коэффициент мощности coscp и степень искрения т) и установлено, что исправные двигатели имеют коэффициент мощности coscp в пределах от 0,932 до 0,556, а двигатели с нарушением условий коммутации в пределах от 0,232 до 0,42, что позволило впервые использовать коэффициент мощности coscp в качестве критерия оценки коммутации по фазовому сдвигу между током перевода и напряжением питания.

6. С помощью метода дискриминантных функций, включающего элементы и положения аналитической геометрии и топологии получены решающие функции распознавания областей технического состояния СП в пространстве диагностических признаков.

7. Получены эмпирические зависимости тока перевода исправного электропривода и неисправного электропривода (с коротким замыканием и обрывом отдельных секций якоря), которые имеют следующий вид для исправного электропривода /(г) = 2,559е~3'0581'и для неисправного электродвигателя /(Г) = 5,57е~4'1ббг, в пределах времени измерения 0 < t < с.

8. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработан способ экспресс — контроля технического состояния стрелочных электродвигателей путем подключения в цепь управления стрелочного привода устройства формирования зондирующего импульса и блока индикации, что обеспечивает оценку характеристик переходного процесса, по которому определяется качество цепей управления электроприводом.

Данный способ прошел производственную проверку на Саратовском электротехническом заводе «Автоматика и телемеханика» и принят для практического использования при модернизации стрелочной панели питания постоянного напряжения типа ПСПН-3.

9. Разработаны практические рекомендации для Саратовского электротехническом заводе «Автоматика и телемеханика» по повышению коммутационной устойчивости серийно выпускаемых стрелочных электродвигателей постоянного тока типов МСП-0,25 и МСП-0,15.