Rails Torg

Анализ неисправностей стрелок с электродвигателями переменного тока

Цикл статей:
Глава 1 – Методы и алгоритмы диагностики неисправностей стрелок с электродвигателями переменного тока

Глава 2 – Анализ неисправностей стрелок с электродвигателями переменного тока

Глава 3 – Разработка методов диагностики неисправностей стрелок с ЭД переменного тока на основе теории нейронных сетей

Глава 4 – Разработка алгоритмических методов диагностики неисправностей стрелок с электродвигателями переменного тока

Глава 5 – Применение предложенных методов для решения задачи определения неисправностей стрелок с электродвигателями переменного тока в реальных условиях эксплуатации

Подготовка базы примеров

Для подготовки базы примеров для решения задачи диагностики стрелок с ЭД переменного тока была проведена серия экспериментов по имитации неисправностей на стрелках, находящихся в эксплуатации на сети железных дорог РФ. Для анализа мощности перевода стрелки проведены испытания на стрелках следующих станций: Иванцево Московской железной дороги, Обухово и Колпино Октябрьской ж.д. Характеристики устройств, использованных в исследовании [35], приведены в таблице 2.1.

Для исследования и выявления характерных признаков была произведена имитация следующих неисправностей, характерных для стрелок с электродвигателем переменного тока:

1. Наличие переходного сопротивления на фазах питания электродвигателя (ЭД). Неисправность может проявляться при загрязнении и окисления соединительных клемм на фазах ЭД, при нарушении монтажа в рабочих цепях или плохом контакте соединений в стрелочных муфтах кабельной сети.

  • Наличие короткого замыкания (тока утечки) между фазами ЭД. Причиной этой неисправности чаще всего является нарушение изоляции кабеля питания ЭД.
    • Разрегулировка сцепления фрикционного механизма стрелочного электропривода. Разрегулировка фрикционного сцепления в сторону ослабления усилия работы на фрикцию может привести к ситуации, когда под воздействием внешних факторов (наледь, набивание снега, запесоченность стрелочных башмаков) стрелка не переведется, так как ей не хватит усилия для преодоления этих факторов. При разрегулировке фрикционного механизма в сторону увеличения усилия, при работе на фрикцию может возникнуть чрезмерная нагрузка на механизмы, снижающая общий ресурс работы.
    • Загрязнение стрелочных башмаков стрелочного перевода. Эта неисправность проявляется при отсутствии смазки или наличии сильного загрязнения (песок, снег) на стрелочных башмаках.
    • Пружинность стрелочных остряков. Основные причины этой неисправности:
  • затянутость болта в корне остряка;
  • неисправность корневого крепления;
  • неисправность распорных втулок;
  • нарушение геометрии остряка;
  • смещение положения остряка относительно башмаков;
  • наличие зазора в корневом стыке остряка (не менее 4 мм).
    • Не параллельное прилегание остряка к рамному рельсу. Основные причины этой неисправности:
  • зажатие корня остряка (не касается гибких остряков). Вкладышно- накладочное скрепление подразумевает зазор не менее 4 мм в корне поворотного остряка;
  • нарушение геометрии (эпюра) стрелочного перевода, т.е. не параллельное прилегание остряка к рамному рельсу «не по строжке».

Условные обозначения, присвоенные описанным неисправностям, приведены в таблице 2.2 и Приложении Г.

Испытания проводились в разное время года и в разных погодных условиях, проведено более 10 экспериментов. В течение каждого эксперимента имитация каждого технического состояния стрелки проводилась не менее 5 раз. Была произведена имитация следующих неисправностей, характерных для стрелок с электродвигателем переменного тока:

1. Для имитации неисправности Н1 в разрыв цепи одной из фаз подключался резистор R (рисунок 2.1). Опытным путём установлено, что для имитации этой неисправности следует выбирать сопротивление Ru не более 150 Ом. При сопротивлении Rn более 150 Ом не энергии не хватает для запуска перевода стрелки.

Для имитации неисправности Н2 две фазы были закорочены через резистор Rn (рисунок 2.2). Опытным путём установлено, что для имитации этой неисправности следует выбирать сопротивление Rn не менее 120 Ом. При сопротивлении Rn менее 120 Ом повышается вероятность сгорания предохранителей питающих цепей.

Для имитации неисправностей Н3 и Н4 была изменена регулировка фрикционного механизма. Для ослабления фрикционного сцепления регулировка механизма была смещена на 5 зубьев регулировочной шестерни относительно нормальной регулировки в сторону понижения усилия перевода. Для увеличения фрикционного сцепления регулировочная гайка механизма была затянута на 3 зуба регулировочной шестерни относительно нормального состояния.

  • Для имитации неисправности Н5 с помощью лома создавались помехи для перевода остряков из одного крайнего положения в другое.

Кроме имитации указанных неисправностей произведен сбор данных о других технических состояниях стрелки. В ходе испытаний были получены примеры исправных переводов и переводов стрелки, работающей на фрикцию при нормально отрегулированном фрикционном сцеплении. Обучающие примеры для классов неисправностей Н6 и Н7 были получены из архивов СТДМ для перечисленных станций.

Исследование и выявление характерных признаков неисправностей
стрелок с ЭД переменного тока

Контроллеры, используемые в СТДМ, производят измерения с частотой дискретизации, позволяющей с высокой точностью отследить изменение мощности перевода во время работы двигателя [12, 13]. Форма графика мощности перевода определяется состоянием элементов ЭД и состоянием механических частей СЭП (рисунки 2.3-2.14).

Для анализа и выявления характерных признаков проявления неисправностей проведено сравнение графиков неисправного перевода с графиком исправного перевода одной и той же стрелки. Например, наличие переходного сопротивления в фазах ЭД проявляется на графике мощности как уменьшение значения пускового пика и увеличение его длительности, также увеличивается среднее значение мощности перевода стрелки (рисунок 2.15); короткое замыкание между фазами питания ЭД проявляется в виде увеличенной мощности при пуске двигателя и в рабочей зоне (рисунок 2.16); загрязнение стрелочных башмаков – в виде сильной неравномерности графика в рабочей зоне и повышенной мощности перевода (рисунок 2.17); наличие пружинности стрелочных остряков – как просадка мощности до уровня холостого хода после отпирания (рисунок 2.18); не параллельное прилегание остряка к рамному рельсу – в виде резкого роста потребляемой мощности в конце перевода (рисунок 2.19). Неправильная регулировка фрикционного сцепления проявляется в увеличение уровня мощности при работе на фрикцию относительно уровня мощности исправного перевода менее чем на 20% или более чем на 30 % [36] (рисунок 2.20).

Разработка алгоритмов вычисления диагностических критериев

В результате анализа изменений мощности перевода при разных неисправностях были выделены диагностические критерии (ДК) [37, 38], которые позволяют сократить объем информации, анализируемой для диагностики стрелок с ЭД переменного тока по графику мощности перевода (Приложение Г):

  • d1 – среднее значение мощности в рабочей зоне, Вт;
  • d2 – дисперсия мощности в рабочей зоне, Вт;
  • d3 – среднее изменение мощности в рабочей зоне, Вт;
  • d4 – медиана мощности в рабочей зоне, Вт;
  • d5 – площадь рабочей зоны, Дж;
  • d6 – длительность запуска двигателя, с;
  • d7 – максимальное отклонение от медианы, Вт;
  • d8 – количество максимумов на графике мощности рабочей зоны;
  • d9 -мощность запирания стрелки, Вт;
  • d10 – длительность перевода, с.

Выделенные критерии описывают форму графика мощности перевода в областях, где проявление неисправности наиболее явно, позволяя сократить объем необходимой для анализа информации без потери признаков неисправностей.

Для вычисления ДК были разработаны описанные ниже методы.

Для расчёта среднего значения мощности в рабочей зоне dl предложено применять следующую формула (2.1):

Нормализация значений диагностических критериев

Расчёт ДК для данных, полученных с помощью проведенных экспериментов, позволил произвести сравнение значений этих критериев для различных стрелок. Результаты расчётов приведены в таблицах 2.3-2.7.

Анализ полученных значений и сравнение графиков показывает, что уровень средней мощности у разных стрелок одного типа, находящихся в одинаковом техническом состоянии, отличается. Наблюдается ситуация, когда область в пространстве ДК, описывающая неисправное состояние одной стрелки, пересекается с областью в пространстве ДК, описывающей исправное состояние другой стрелки, что делает невозможным классификацию этих состояний одним методом. Необходимо разработать метод нормализации графиков разных стрелок одного типа, позволяющий сместить области состояний в пространстве ДК так, чтобы исключить описанную выше ситуацию.

Анализ таблиц 2.8 и 2.9 показывает, что при использовании выбранных диагностических критериев нет возможности объединить базы примеров для разных контроллеров в одну базу, так как области состояний в пространстве ДК будут пересекаться.

Исследование ДК как до нормализации, так и после, показывает, что диапазоны критериев различных неисправностей (например, ДК d1 у неисправностей Н1 и Н5) накладываются друг на друга, т.е. нельзя построить гиперплоскость, разделяющую такие классы. Поэтому классы различных технических состояний стрелок с ЭД переменного тока не являются линейно разделимыми [39, 40]. Это необходимо учитывать при разработке методов и алгоритмов автоматизированной диагностики неисправностей стрелок с ЭД переменного тока.

Выводы

  1. Наличие или отсутствие неисправностей стрелок с ЭД переменного тока определяет форму графика мощности перевода. Сравнение базы примеров графиков мощности неисправных переводов с графиками исправных переводов дало возможность определить диагностические критерии, позволяющие различать возможные неисправности стрелок.
  2. Разработаны методы вычисления диагностических критериев.
  3. Расчёт критериев для стрелок, участвовавших в исследовании, показал необходимость нормализации графиков мощности по среднему значению.
  4. Разработана методика нормализации, позволяющая использовать одну методику для диагностики для разных стрелок.
  5. Исследование выявило отсутствие линейной разделимости классов технических состояний стрелок с ЭД переменного тока, что необходимо учитывать при разработке методов и алгоритмов автоматизированной диагностики неисправностей стрелок с ЭД переменного тока.

Список литературы

  1. Ефанов Д. В. Некоторые аспекты развития систем функционального контроля устройств железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / Д. В. Ефанов // Транспорт Урала. – 2015. – № 1. – С. 35-40.
  2. Ефанов Д. В. Становление и перспективы развития систем функционального контроля и мониторинга устройств железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / Д. В. Ефанов // Автоматика на транспорте. – 2016. – Т. 2, № 1. – С. 124-148.
  3. Лыков А. А. Техническое диагностирование и мониторинг состояния устройств ЖАТ [Текст] / А. А. Лыков, Д. В. Ефанов, С. В. Власенко // Транспорт РФ. – 2012. – № 5. – С. 67-72
  4. Ефанов Д. В. Автоматизация контроля на стрелках. [Текст] / Д. В. Ефанов, Н. А. Богданов // Мир транспорта. – 2011. – №2. – С.54-59.
  5. Бочкарев С. В. Совершенствование методов диагностирования стрелочного переводного устройства [Текст] / С. В. Бочкарев, А. А. Лыков, Д. С. Марков // Автоматика на транспорте. – 2015. – Т. 1. – №. 1.
  6. ГОСТ Р 53431-2009. Автоматика и телемеханика железнодорожная. Термины и определения [Текст]. – М.: Стандартинформ. – 2010.
  7. Дмитриенко И. Е. Техническая диагностика и автоконтроль систем железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / И. Е. Дмитриенко. // М. «Транспорт», 1986. – 142 с.
  8. Парфенов В. И. Анализ дефектов и возможности диагностики стрелочных переводов [Текст] / В. И. Парфенов, А. П. Разгонов, М. А. Ковригин // Наука и прогресс транспорта. Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта. – 2007. – №15.
  9. Буряк С. Ю. Исследование диагностических признаков стрелочных электроприводов переменного тока [Текст] / С. Ю. Буряк, В. И. Гаврилюк, О. А. Гололобова, А. М. Безнарытный // Наука и прогресс транспорта. Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта. – 2014. – №4 (52).
  10. Буряк С. Ю. Исследование временной зависимости и спектрального состава сигнала в цепи стрелочных электродвигателей переменного тока [Текст] / С. Ю. Буряк, В. И. Гаврилюк, О. А. Гололобова // Наука и прогресс транспорта.
    Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта. – 2014. – №6 (54).
  11. Котов В. К. Диагностика стрелочных электроприводов по параметрам тока [Текст] / В. К. Котов, А. А. Павловский, Е. Павловский // Автоматика. Связь. Информатика – 2015. – №7. – С. 12-17.
  12. Дубровин Л. М. Феррозонды в оперативной диагностике стрелочных приводов. [Текст] / Л. М. Дубровин, А. П. Никишечкин, В. И. Давыденко // Мир транспорта. – 2015. – 13(6). – С. 236-243. – DOI:10.1234/XXXX-XXXX-2015-6-236- 243
  13. Тонких В. Г. Метод диагностики асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве на основе анализа параметров их внешнего магнитного поля [Текст]: автореферат. / В. Г. Тонких // Барнаул. – 2009. – 20 с.
  14. Китабов А. Н. Информационно-измерительная система диагностики погружного электродвигателя [Текст] / А. Н. Китабов, В. П. Токарев // Вестник УГАТУ. – 2011. – №1 (41).