CC BY
9
УДК: 656.25: 621.318
БОНДАРЕНКО Б. М., к.т.н., доцент (ДНУЗТ iменi академiка В. Лазаряна); РОМАНЦЕВ I. О., к.т.н., доцент (ДНУЗТ iменi академiка В. Лазаряна); МОЗОЛЕВИЧ Г. Я., к.т.н., доцент (ДНУЗТ iменi академiка В. Лазаряна).
Щдвищення над1йност1 електромагн1тних прилад1в забезпечення без -пеки руху на зал1зничному транспорт!
Вступ
Безпека руху на залiзничному транспорт забезпечуеться пристроями залiз-нично'1 автоматики першого класу надш-ностi, основу яких складають електромаг-нiтнi реле, в яких ймовiрнiсть небезпеч-них вщмов мiнiмiзована за рахунок конс-труктивних особливостей.
Зараз у ремонтно-технолопчних дь льницях (РТД) дистанцш сигналiзащi i зв'язку використовують застарiле, громiз-дке обладнання з низькою точнiстю вимь рювання та великою кшькютю ручних операцiй, що призводить до значних затрат часу та утрудняе контроль [1].
У багатьох кранах розв'язуються
питання контролю електричних i часових параметрiв електромагштних реле за до-помогою автоматичних цифрових пристро-1'в i систем, iз автоматизованим збережен-ням результата перевiрок. Але, при цьому, такими пристроями не передбачено визна-чення мехашчних параметрiв реле [2].
Удосконалення техшчно'1' експлуата-ци електромагнiтних реле залiзничноi автоматики шляхом автоматизаци процесiв '1'х дiагностування, впровадження нових автоматизованих дiагностичних вимiрю-вальних систем i комплексiв дозволять iстотно полшшити технологiчний процес обслуговування та тдвищити 1'х надш-нiсть.
.л__
характеристик
сан!чних характеристик
I 1
Визначення ф!
Визначення електричних параметров
г, . деМЪ |<1М
ь
Визначення параметр! в
Визначення мех8н1чних параметров
параметров, д1агностую
пром1жку 8(1)
Рис. 1. Автоматизована система вимiрювання параметрiв реле
Автоматизована система вимiрювання параметрiв реле
Запропонована автоматизована система вимiрювання параметрiв реле (рис.1) забезпечуе отримання шформаци про тип, конструктивш особливостi реле, здiйснюe визначення його електричних, часових i мехашчних параметрiв та порiвнюe 1'х iз збереженими попереднiми (архiвними) даними випробуваного реле [3].
Визначення електричних i часових параметрiв не викликае труднощiв, тому представимо математичну модель ще'1" ав-томатизовано'1' системи тiльки для визначення мехашчних параметрiв реле у вигля-дi схеми, яка мютить: вихiднi данi, систему визначення дiагностичних параметрiв та отриманi результати (рис. 2).
Рис.2. Схема автоматизованого визначення мехашчних параметрiв реле
На рис. 2 - U; R; L; m0; C i т. д. -
напруга, отр обмотки, розмiри, маса, пружнiсть контакпв випробуваного реле; фе- потужнють свiтлового потоку, Q -енерпя фотонiв, Pa - акустичний тиск, е -швидкiсть, р - густина середовища, Еш -е.р.с. шдукцп, г - струм, ф- магштний по-тiк, Ф - потокозчеплення.
На схемi (рис. 2) надано нелiнiйне диференцiальне рiвняння руху приведе-них мас рухомо'1' системи реле з одним ступенем свобод и [4]. 1нтеграшя даного рiвняння одним з вiдомих способiв дае можливють одержати силовi i кшематичш змiннi тiльки для тих реле, у яких немае прихованого ходу контакпв. Прихований хщ контактiв у реле залiзничноi автоматики визначаеться наявнютю регулюючих пружин, тому виршити складну задачу його визначення пропонуеться шляхом безперервного введення в диференщальне рiвняння даних про положення якоря реле, яю автоматично отримуються за допо-могою пщсистем оптичного, електромаг-нiтного i електричного каналiв вимiрю -вання.
Механiчнi параметри визначаються з механiчних характеристик реле тсля отримання електричних i часових параме-трiв з використанням результату вимiрю-вання фiзичного промiжку [5].
Математична модель тдсистеми оптичного каналу вимiрювання представлена рiвнянням струму, що протiкае через фотодiод:
( (еи, Л Л
1Г = Бф-1,
ехр
/
кт
-1
0 0
(1)
де // - фотострум; ^ - чутливють фотодюда; ф - освiтленiсть; ^ - струм насичення; кв - стала Больцмана; Т - температура, К [6].
Математична модель тдсистеми акустичного каналу вимгрювання. Для дiа-гностування реле достатньо застосування вимiрiв iмпульсу сили тд час удару якоря об полюсний наконечник за визначений
час тривалосп удару At i за номiнальноï' напруги в обмотщ. Тодi iмпульс сили ви-
значаеться як S = J Fdt, або:
S = F At.
(2)
де Fcv - середня сила, At - час дп
сили. За прямого удару штифта об полюс mV
Fp =
At
породжуе акустичш хвшл, якi
мiкрофоном перетворюються в електрич-ну напругу Uс, при цьому для прямокут-ноï дiлянки акустичноï' характеристики мкрофона: Fcp ° |Uc|. З урахуванням па-раметрiв пристрою i мкрофона:
(3)
\ис\=md к
I cl t с
де 5 - фiзичний промiжок; кс - ко-
ефiцiент калiбрування пристрою [7].
Математична модель тдсистеми електромагнтного каналу вимгрювання представлена у виглядi розрахунюв тягового зусилля в робочому зазорi реле, яю виконаш за формулою Максвелла:
Ф2
F =
2Sim0
де F - електромагштна сила
S1 - площа полюсного наконечника, ф -магштний потк, m0 - магнiтна стала. За формулою Гопкшса магнiтний потк ф визначаеться з урахуванням магштних опорiв дiлянок магнiтопроводу, Rm12 58
Ф = -
E
Z
L
8
(4)
i=1 Si m0 m Sim
1Г-0
де E - магшторушшна сила, ство-рювана обмоткою.
Для створення магнiтноï проникнос-Ti, рiвнiй одиницi на п'яти феромагнпних дiлянках магнiтопроводу, для реле НМШ витрачена МРС: Ei = E1 + E2 + E3 + E4 + E5. 1з зростанням потоку вся додаткова МРС
Ez, яка прикладена до всього магштопро-воду En, додаеться до повпряного зазору:
En = En-E [8].
Визначення мехашчних параметрiв та дiагностування реле в цшому здшсню-еться автоматично тсля отримання меха-нiчних характеристик за допомогою розг-лянутих тдсистем оптичного, акустично-го, електромагнiтного i електричного ка-налiв вимiрювання.
Визначення napaMeTpiB та дiагносту-вання реле
Вим1рювання часових параметр1в здшснюеться шляхом перетворення ана-логових сигналiв у цифровий код пщ час реестрацп iнтервалiв комутаци контактiв, часу ïx сумiсного руху та брязкоту. Для вимiрiв використовуеться сертифiкований АЦП i вщповщне програмне забезпечен-ня. Точнють вимiрiв на декiлька порядкiв перевищуе можливостi за iснуючою тех-нолопею [9].
Визначення мехатчних параметр1в з використанням оптичного методу вимг-рювання. Встановлено, що для вимiрю-вання змшного поля яскравостi повпря-ного зазору найбшьш швидкiсним i еко-номiчним е метод iз застосуванням фотое-лемента з широкою фотоприймальною площею. Для точност вимiрювань у ви-промiнювачi застосовуеться колiматор прямокутноï' форми та метод сканування повпряного зазору променем цього перетину [10].
1ндукц1йний метод вим1рювання ходу якоря здшснюеться за допомогою шдук-цшного датчика з використанням динам> ки змши електромагнпного поля. Пюля вмикання реле, в обмотщ датчика наводиться електрорушшна сила: dB
Er = WUSU—D, де WU - число виткiв ви-
L U U i, ' ^ U
dt
мiрювальноï' обмотки; SU - перерiз осердя датчика; BD - шдукщя потоку, що пере-тинае витки обмотки датчика, причому ця
шдукщя повязана з шдукщею поля в промiжку через коефщент випинання
K - BD
Iндукцiя ВЕ> дорiвнюе: D WS
(5)
де г - час спрацьовування реле [8]. З урахуванням коефщента а знаходять ш-дукцiю в уах дiлянках магнiтопроводу :
в - а ■ В8- ^. (6)
Акустичний метод д1агностування електромагнтного реле розроблений на базi положень теори ймовiрностей i мате-матично'1' статистики з аналiзом щiльностi iмовiрностi розподiлу шумових сигналiв пiд час роботи реле [7].
Визначення моменту зрушення якоря та контактного тиску здшснюеться за допомогою оптичного датчику, та сумюно iз криво'1' струму, використовуеться для визначення контактного тиску одночасно на вах контактах. Електромагштну силу тяжшня якоря представимо як:
/л0ф)Ж28 н5(г)2
(7)
де /10 - магштна проникнють повгт-ряного промiжку, Ж - кшькють виткiв у обмотщ реле, £ - площа полюса сердечника реле, 8(г) - залежнють промiжку вiд часу, п - число груп контактiв [4]. Конта-ктний тиск Рк в реле НМШ i РЕЛ створю-еться попереднiм натисненням регулюва-льних пластин на фронтовi i тиловi конта-кти Р0 i силою реакцп сумiсного ходу ко-
нтактних пружин АРк:
Рк - Р0 +АРк -СупР + Сус, (8)
де С - жорсткють контактних пружин (вiдома), упр - прихований хiд контакту, ус
- сумiсний х1д (визначаються з отриманих динамiчних характеристик) [11].
Автоматизоване д1агностування контактног системи полягае в тому, що система виводиться iз стану рiвноваги з використанням мехашчного резонансу рухомо'1' системи, шляхом розгойдування п iмпульсами струму в обмотщ, при цьо-му моментом шерцп якоря можна нехту-вати, оскшьки через кожних пiвперiоду власних коливань знак моменту змшюеть-ся на протилежний. У результат вся енер-гiя витрачатиметься на на^в та подолан-ня сили тертя /тр пiд час ковзання конта-
ктiв. Зменшуючи струм I, систему зупи-няють, нехтуючи на^вом, отримаемо:
2
т» - - II), (9)
2/
де 1Р - струм покою, 1Е> - струм зупин-ки Ом - магнiтна провщнють реле [5].
Експериментальн1 досл1дження
Точнють вимiру фiзичного промiжку в крайшх положеннях якоря випробувано-го реле за допомогою оптичного каналу вимiрювально-дiагностичного комплексу (ВДК), створеного на базi автоматизова-но'1' системи (рис. 2) перевершуе точнiсть цих же вимiрiв, виконаних за допомогою набору вимiрювальних щупiв i не гiрше за точнють вимiрiв, виконаних за допомогою шдикатора годинного типу (люфтмера), похибка з яким менше 1 %. Структура ВДК подана на рис. 3.
Проаналiзуемо комплекснi показни-ки надiйностi випробуваного об'екту при юнуючо'1' технологи i пiсля удосконалення техшчного обслуговування електромагш-тних реле шляхом автоматизацп процесу 1'х дiагностування.
Коефiцiент готовностi реле визна-чимо як ймовiрнiсть того, що реле опи-ниться в працездатному сташ в довiльний момент часу, ^м планованих перiодiв, протягом яких застосування реле за приз-наченням не передбачаеться [12]:
Рис. 3. Структурна схема ВДК на ochobí АЦП
i
—'Р ■
T , де l - вщмова, T -
-it„
P(tp) = e
час вiдмови.
Коефiцieнт техшчного використання KTv визначимо як вщношення математично-го очiкування сумарного часу перебування реле в працездатному сташ за деякий перюд експлуатацй до математичного сподiвання сумарного часу перебування реле в працез-датному станi i просгав, обумовлених тех-нiчним обслуговуванням i ремонтом за той же перюд експлуатацй [12]:
11
i=1
KG =■
G n n
i=1 i=1
де ti - iнтервал працездатносп, t -iнтервал вiдновлення. Результата наведено у табл. 1.
Коефiцieнт оперативно! готовностi реле визначимо як ймовiрнiсть того, що реле буде працездатне в довшьний момент часу t i безвщмовно пропрацюе заданий час t [12]:
K0G=KG • P(tp), де KG - коефiцieнт готовностi; P(t )
- iмовiрнiсть безвiдмовноi роботи реле протягом часу tp , необхщного для безвi-дмовного використання за призначенням:
Z 'i
KTv =■
k
Z 'г +Zt +ZT-
j =1
де ti - час збереження працездатностi в i -му циклi функцiонування реле; ti - час вiдновлення (ремонту) тсля i -го вiдмови реле; tj - тривалють виконання j -й профi-
лактики, вимагае виведення об'екта з пра-цюючого стану (використання за призна-ченням); n - число робочих циклiв за анаш-зований перiод експлуатацii; m - число вь дмов (вщновлень) за аналiзований перiод; k - число профшактик, що вимагають вщк-лючення реле у розглянутий перюд [12].
Як бачимо з табл. 1 час вщновлення реле t зменшуеться, тому KG i KOG збi-
льшуються. При зменшенш тривалiсть
виконання - -й профшактики ь- також
зменшуеться, тому КТу збiльшуеться. По-
рiвнянi показники надшносп реле до i т-сля автоматизаци (стенд вимiрювальний (СВ-СЦБ) i ВДК вiдповiдно) приведенi в табл. 1.
Таблиця 1 Показники надiйностi
м
I ь
Т — - =1
' о , ,
I
1—1
(10)
п.
Показ-
ники Ко Коо КТу Р(<р) Т 1В 5
Стенд годин
СВ- 0,997 0,8 0,997 0,90 0,66
СЦБ 26 97 24
ВДК 0,999 99 0,9 69 0,999 99 0,97 0,16
Середнш час вiдновлення Тв реле визначаеться на пiдставi статистичних да-них, одержаних для М однотипних вщ-новлюваних реле
де М - кiлькiсть однотипних реле, для кожного з яких визначений загальний час вщновлення ь- за заданий час спосте-
режень; при чому - , де ь- час
г—1
вщновлення - -го об'екту тсля г -го вщ-мови; п- - кiлькiсть вiдновлень --го реле за час спостережень, причому 1 < - < М .
Тобто, середнш час вщновлення (10) - це математичне очжування часу вщновлення працездатного стану реле тсля йо-го вщмови. З визначення виходить, що
т 1 п
Тв — - 1ь , (11)
П г—1
де п - число вщновлень реле, рiвне числу вщмов; ь - час, витрачений на вщновлення (виявлення, пошук причини i усунення вщмови), в годинах [12]. Як i для комплексних показниюв надiйностi час вщновлення реле ь зменшуеться, тому Тв (11) також зменшуеться.
Рис. 4. .Графж техшчно'1 експлуатаци: а) без автоматизации б) з автоматизащею
На рис. 4 наведено графжи техшчно'1 ревiрки автоматизованим ВДК. Як бачи-експлуатацп реле до i пiсля введення пе- мо, за рахунок зменшення перiодiв ремон-
ту тсля введения автоматизоваио! перевь рки, пepiоди роботи реле збшьшуються, що полiпшуe 1х тeхиiко-eкоиомiчиi показ-иики. Рeалiзацiя автоматизоваиого вимь pювальио-дiагиостичиого комплексу иа сучасиш eлeмeитиiй 6a3i дозволяе тдви-щити иадiйиiсть та збiльшити продуктив-шсть з тeхиiчиого обслуговуваиия реле бшьше иiж у чотири рази.
Тобто полшшуються комплeксиi по-казиики иадшиосп реле та сepeдиiй час вщиовлеиия.
Висновки
Розробленi методи дiагностування реле залiзничноi автоматики дозволяють автоматизувати вимiрювання 1'х мехашч-них параметрiв. Реалiзуються умови для оптимiзаци мiжремонтного перюду за те-хнiчним станом.
Комплексно виршено науково-практичне завдання пщвищення надшнос-тi електромагнiтних реле шляхом удоско-налення 1'х технiчного обслуговування.
Завдяки поеднанню чотирьох вим! рювальних каналiв пiд час автоматичного дiагностування пiдвищуються показники надiйностi, зокрема коефщент готовностi - на 0,28%, коефщент оперативно'1' готов-ностi - на 7,44%, коефщент технiчного використання - на 0,28%, iмовiрнiсть без-вщмовно'1' роботи - на 7,22%. При цьому зменшуеться середнiй час вщновлення бiльше нiж у чотири рази.
Автоматизащя процесу дiагносту-вання електромагштних реле залiзничноi автоматики першого класу надшносп за допомогою автоматизованого комплексу пiдвищуе достовiрнiсть контролю та на-дiйнiсть цих електромагштних приладiв якi забезпечують безпеку руху залiзнич-ного транспорту.
Л1тература
1. Аркатов В. С. Ремонтно-технологический участок СЦБ. /
В. С. Аркатов, А. И. Бажеиов,
И. Е. Дмитреико М.: Траиспорт, 1987. — 224 с.
2. Vasavi Electronics. Automatic test equipment for Relay : [Електроииий ресурс]. - Режим доступу : http://www.vasavi.com.
3. Разгоиов А. П. Компьютериая техиология коитроля мехаиических параметров электромагиитиого реле / А. П. Разгоиов, А. В. Аидреевских, Б. М. Боидареико // ^формацшио-кepуючi системи иа залiзничному траиспортг - 2005. - № 5 . - с. 102 - 103.
4. Витеиберг М. И. Расчет электро-магиитиых реле / М. И. Витеиберг — М. : Эиергия, 1975. - 416 с.
5. Боидареико Б. М. Способы опре-делеиия параметров электромагиитиых реле / Б. М. Боидареико // Вши. Дишропетр. иац. уи-ту залiзн. траисп. iм. акад. В. Лазаряиа. — 2007. - № 15. - С. 711.
6. Бори М. Основы оптики / М. Бори, Э. Вольф [Пер. с англ. Изд.2, испр.] — M. : Наука, 1973. - 720 с.
7. Морозов Г .Л. Вiбpошумова дiагностика електромагштного реле / Г. Л. Морозов, А. П. Разгоиов, Б. М. Боидареико // Вюн. Дишропетр. иац. уи-ту залiзн. траисп. iм. акад. В. Лазаряиа. - 2010. - № 32. - С. 206-211.
8. Аркатов B. C. Теория распределения магнитодвижущей силы (МДС), создаваемой ампер-витками иамагиичиваю-щей обмотки по участкам магиитопрово-да / B. C. Аркатов, Ю. В. Аркатов -М. : Оргсерв., 2005. -160 с.
9. Боидареико Б. М. Методы проверки реле с помощью измерительиого диаг-иостического комплекса / Б. М. Боидареико // 1нформацшно-кepуючi системи иа залiзничному транспорт! - 2009. - № 4. - С. 127-133.
10. Боидареико Б. М. Обгруитуваиия оптимальиих характеристик оптичиого каналу вимipювання мехашчних паpамeтpiв електромагштного реле / Б. М. Боидареико, А. П. Разгоиов,
В. И. Профатилов // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - 2009. № 29. - С. 121-125.
11. Разгонов А. П. К оценке сил трения в моменты трогания и остановки якоря реле / А. П. Разгонов, А. В. Андреевских, Б. М. Бондаренко, Д. А. Безрукавый // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - 2007. - № 14. - С. 12-15.
12. Шишонок Н. А. Основы теории надежности и эксплуатации радиоэлектронной техники / Н. А. Шишонок, В. Ф. Репкин, Л. Л. Барвинский. - М. : Сов. радио, 1964. - 551 с.
Анотацн:
Представлен принцип повышения надежности электромагнитных реле систем автоматики и обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте, путем усовершенствования их технической эксплуатации.
Ключевые слова: повышение надежности, безопасность движения на железнодорожном транспорте
Представлено принцип шдвищення надшносп електромагштних реле систем автоматики 1 забезпечення безпеки руху на зал1зничному транспорт! шляхом удосконалення !х техшчно! експлуа-тацп.
Ключовi слова: шдвищення надшносп, без-пека руху на зал1зничному транспорта
The principles of improving the reliability of electromagnetic relays for automation systems and railway traffic safety by improving their technical operation is presented.
Keywords: improvement of reliability, railway traffic safety.
