Разработка и применение компьютерной измерительной системы для испытаний тепловозов

Одной из важнейших задач железнодорожного транспорта является экономия нефтепродуктов. В тепловозном хозяйстве эта задача решается внедрением новых высокоэкономичных энергетических установок на локомотивах, топливо-сберегающих технологий вождения поездов, усовершенствованных процессов ремонта и обслуживания тепловозов и комплекса других мероприятий. В ряду этих мероприятий ключевое место занимает контроль теплотехнического состояния силовых агрегатов и, в первую очередь, дизеля.

Резервом повышения провозной и пропускной способности железных дорог является увеличение средней массы и длины поезда. В этих условиях повышаются требования к надежности и топливной экономичности тепловозов. Важная роль при этом отводится организации ремонта и проведению реостатных испытаний тепловозов.

Контроль технического состояния тепловозных дизелей при проведении послеремонтных реостатных испытаний в депо позволяет объективно оценить качество ремонта. Разработка и создание систем технического диагностирования направлены на повышение эффективности эксплуатации тепловозов при минимальных экономических затратах.

Рассматривая тепловоз как объект диагностирования, можно отметить, что более 40% неисправностей связано с тепловозным дизелем [24]. Согласно исследованиям [25] на дизели 1 ОД 100 тепловозов серий 2ТЭ10 приходится 46% заходов на неплановый ремонт, что отражает как их техническое состояние, так и работу основных агрегатов и узлов в условиях действия высоких тепловых и механических нагрузок. Повышение эксплуатационной надежности и экономичности тепловозных дизелей может быть достигнуто путем разработки системы диагностики их технического состояния.

В процессе эксплуатации тепловозных дизелей происходят необратимые изменения в их конструкции, которые приводят к ухудшению технического состояния, к постоянным или внезапным отказам. Принятая в локомотивном хозяйстве система планово-предупредительного обслуживания и ремонта дизелей имеет недостатки [37]:

— ремонтно-регулировочным работам часто подвергается двигатель, находящийся в удовлетворительном состоянии и не нуждающийся в таких работах;

— наступивший в период эксплуатации скрытый отказ устраняется только во время регламентных работ.

Указанные недостатки устранимы при использовании современных высокоэффективных технологий диагностирования тепловозов и тепловозных дизелей, основанных на применении компьютерных измерительных систем. Применение таких систем позволяет перейти к работам, объем и содержание которых определяются фактическим состоянием объекта.

Одной из главных причин ведущей к неисправностям дизелей в эксплуатации и вызывающей порчи тепловозов является некачественное выполнение текущего ремонта и технического обслуживания, а также недостаточная квалификация локомотивных бригад. Объясняется это сложностью объекта исследования, большим числом факторов, влияющих на работу тепловозных дизелей и необходимостью проведения большого количества расчетов для обработки экспериментальных данных. Применение компьютерных измерительных систем при проведении испытаний тепловозов и тепловозных дизелей позволяет повысить качество диагностирования, выявить причины неисправностей и выдать рекомендации по их устранению.

Наиболее универсальным критерием оценки теплотехнического состояния тепловозного дизеля является удельный эффективный расход топлива. Однако его определение в большинстве тепловозных депо не производится вследствие отсутствия точных автоматических устройств для измерения часового расхода топлива, а также в силу неточности определения мощности дизеля (связано с визуальным считыванием показаний приборов и приближенной оценкой мощности вспомогательных агрегатов).

Для проведения испытаний тепловозных дизелей необходим большой объем экспериментальных исследований. Он связан не только с огромной трудоемкостью и стоимостью, но и с опасностью того, что вследствие большого времени проведения эксперимента техническое состояние дизеля в конце испытаний будет существенно отличаться от его состояния в начале испытаний. Ограничение количества измеряемых параметров для решения возникающих проблем не достигает цели, ибо не учитывает взаимодействие всех факторов. Столь же нежелательно уменьшение количества экспериментов, поскольку это уменьшает полноту и достоверность результатов испытаний [58]. 6.

Автоматизация процессов измерений и обработка их результатов одна из актуальных проблем развития экспериментальных исследований в различных областях науки и техники, в том числе в области совершенствования силовых агрегатов тепловозов и контроля их состояния в эксплуатации [9]. Решение этой проблемы особенно при большом числе измеряемых величин позволяет резко уменьшить количество наблюдателей, сократить время проведения испытаний, повысить точность и синхронность измерений и, что самое главное, производить оперативную обработку измеряемых величин.

В связи с изложенным большую актуальность приобретает задача создания и внедрения в локомотивных депо и на тепловозоремонтных заводах компьютерных измерительных систем для контроля теплотехнического состояния тепловозов и тепловозных дизелей, обеспечивающих точное и полностью автоматизированное определение удельного эффективного расхода топлива дизелем.

Решение этой задачи состоит из разработки и изготовления автоматического топливомера, позволяющего с большой точностью определять часовой расход дизельного топлива, автоматического измерения величин, определяющих мощность дизеля, а также расчета удельного эффективного расхода топлива дизелем. Одновременно требуется создание диагностической системы, позволяющей оценить состояние узлов тепловоза, влияющих на его топливную экономичность, и, таким образом, выявить причины изменения его состояния.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований автором осуществлено теоретическое обобщение научной проблемы — автоматизации процессов измерений и диагностики при проведении теплотехнических испытаний тепловозов и тепловозных дизелей, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

При решении этой задачи большое внимание было уделено сохранению общей преемственности усовершенствованной методики и традиционным подходам, что представляется необходимым условием для обеспечения ее практичности. Решение задачи выполнено за счет совершенствования методологической базы. Это стало возможным вследствие использования современных средств вычислительной техники как инструмента реализации этого метода.

В целом для решения поставленной задачи в диссертации выполнены исследования и получены следующие основные результаты.

1. На основе анализа отечественного и зарубежного опыта определены тенденции применения средств вычислительной техники для создания диагностических систем испытаний тепловозов и тепловозных дизелей. Сделан вывод о недостаточной координации разработчиков, многократном дублировании и необходимости системного подхода при совместном участии научных подразделений МПС и локомотивных депо. Сформулированы технические требования к компьютерным измерительным системам для испытаний тепловозных дизелей.

2. На базе современных средств вычислительной техники и объектно-ориентированного языка программирования разработана компьютерная система для реостатных испытаний тепловозов и тепловозных дизелей, обеспечивающая автоматизацию измерений и регистрацию необходимого объема параметров работы силовой установки на установившихся и переходных режимах, представление результатов испытаний в табличном и графическом виде, оформление протокола испытаний и выдачу рекомендаций по настройке, регулировке и проверке основных систем, агрегатов и узлов дизеля и электропередачи. Система характеризуется высокой точностью и синхронностью измерений, сокращает время и трудозатраты на проведение испытаний.

3. Обобщен опыт по измерению часового расхода топлива дизелем в условиях локомотивных депо. Разработан автоматический весовой электронный топливомер, позволяющий быстро и точно определять часовой расход топлива дизелем необходимый для последующего расчета удельного эффективного расхода топлива — основного критерия теплотехнического состояния тепловоза. Применение топливомера в ряде тепловозных депо подтвердило его соответствие главным техническим требованиям — обеспечению достаточной точности измерений и небольшому времени подключения.

4. Разработан блок аппаратных и программных средств для записи, обработки и анализа индикаторных диаграмм рабочего процесса в цилиндрах дизеля. Исследованы особенности компьютерной записи и обработки индикаторных диаграмм. Проанализированы погрешности записи индикаторных диаграмм, возникающие вследствие задержки прохождения волны давления по измерительному каналу между камерой сгорания и датчиком давления, а также неточной установки отметчика ВМТ. Разработаны программные методы корректировки индикаторных диаграмм, экспериментальная проверка которых подтвердила точность теоретических исследований.

5. На основе анализа причинно-следственных связей измеряемых параметров составлены модели схем диагностирования тепловозных дизелей, которые позволили автоматизировать поиск неисправностей. В ходе решения этой задачи были определены пути формирования информационных критериев для выбора наиболее значимых диагностических параметров. Сравнение результатов технического состояния тепловозных дизелей после постановки на реостат и после проведения регулировок показали высокую степень соответствия диагностических рекомендаций.

6. Разработанное программное обеспечение системы полностью адаптировано для условий депо, позволяет производить измерения с любыми видами датчиков, диагностировать неисправности и выдавать рекомендации по их устранению. Предусмотрена возможность настройки компьютерных программ для испытаний различных серий тепловозов и типов тепловозных дизелей. С этой целью разработан встроенный интерфейс, позволяющий оператору при помощи стандартных диалоговых окон устанавливать и изменять: расчетные формулы, калибровочные коэффициенты, паспортные данные завода-изготовителя, перечень измеряемых параметров, а также их обозначения и размерность. Работа с программным обеспечением не требует специальной подготовки.

7. Модели схем диагностирования тепловозных дизелей, составленные в виде логических выражений с использованием аппарата булевой алгебры, хранятся в текстовых файлах и доступны для редактирования. Это позволяет расширять границы диагностирования в случае обнаружения новых неизвестных состояний технических неисправностей.

8. В компьютерных программах предусмотрены средства автоматического самоконтроля. При превышении максимально допустимых значений выходных сигналов подключенных к системе датчиков инициируются соответствующие предупреждения в виде всплывающих диалоговых окон и звуковых сигналов.

С целью обнаружения обрыва измерительных цепей оценивается уровень «шумов» входных сигналов коммутатора. Для этого используется разложение сигнала в ряд Фурье и анализ амплитуд составляющих гармоник.

Программой отслеживаются неправильные действия оператора при вводе исходных данных. Выявленные ошибки и примеры правильных действий представляются в диалоговых окнах.

9. Предложенный вариант системы для реостатных испытаний тепловозов основан на минимальном количестве измерений и максимальном использовании теоретических и экспериментальных зависимостей, полученных в результате анализа статистических данных. Это позволяет диагностировать работу тепловозов и тепловозных дизелей с выдачей рекомендаций по восстановлению теплотехнического состояния силовой установки в условиях ограниченного времени проведения реостатных испытаний в локомотивных депо.

10. Разработанная компьютерная система применяется для реостатных испытаний тепловозов 2ТЭ10, М62, ТЭМ2 и тепловозных дизелей 10Д100, 14Д40, ПД1 в локомотивных депо Верхний Баскунчак Приволжской дороги, Борзя Забайкальской дороги, Узловая Московской дороги. Система используется на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ для тягово-теплотехнических испытаний новых моделей тепловозов и тепловозных дизелей.

11. Годовой экономический эффект применения компьютерной системы испытаний тепловозов оценивается суммой около 300 тыс. руб. для одного локомотивного депо. Дополнительные затраты депо на приобретение, установку и эксплуатацию компьютерной системы окупаются менее чем за один год.