Бортовая диагностика улучшает условия труда локомотивной бригады при контроле основных показателей работы локомотивного оборудования во время движения локомотива благодаря оценке устройствами возможных аварийных ситуаций в тепловозе, контролю так называемых основных «дежурных» показаний работы его оборудования, контролю значений «расширенных» данных, обычно оцениваемых по штатным приборам вне кабины машиниста.
Бортовыми устройствами можно оценить и определить: степень загрязнённости фильтрующих агрегатов масляной и топливной систем дизеля; величину износа коренных, шатунных подшипников и соответствующих шеек коленчатого вала дизеля; общее качество рабочего процесса в цилиндрах дизеля; общее состояние турбокомпрессора; неисправности в регуляторе частоты вращения коленчатого вала дизеля; общую энергетическую эффективность дизель-генераторной установки; состояние выпрямительной установки; сопротивление изоляции высоковольтных и низковольтных цепей электрической схемы; остаточную ёмкость аккумуляторной батареи; токораспределение по тяговым двигателям; неисправности в цепях и системах возбуждения тягового и вспомогательного генераторов; неисправности в цепях электродвигателя и управления тормозного компрессора; состояние буксовых подшипников; неисправности в системе автоматического регулирования температуры, воды и масла; уровень воды в расширительном баке системы охлаждения, скорость её ухода с прогнозированием момента полного опорожнения бака; гидравлические характеристики контуров охлаждения; теплорассеивающую способность радиаторов контуров охлаждения; причины срабатывания аварийно-предупредительной сигнализации.
Но расширение и углубление возможностей бортовых систем диагностики приводит к увеличению количества измерительных преобразователей, линий связи, элементов коммутации, т.е. к удорожанию систем, снижению их надёжности и увеличению затрат по эксплуатационному сопровождению. Для этого требуется определение свыше 50 сигналов и измерение более 80 электрических, теплофизических и четырёх частотных значений оборудования.
Бортовые диагностические установки решают основные задачи: оперативный поиск места и определение возможных причин отказов контролируемого оборудования тепловоза для быстрого устранения локомотивной бригадой последствий отказов мерами, в том числе временными, которые бы обеспечили продвижение тепловоза с поездом по перегону даже при снижении мощности силовой установки; укрупнённая оценка текущего технического состояния контролируемого оборудования тепловоза; подготовка информационной базы для принятия решения о необходимости углублённого диагностирования локомотива в условиях депо со стационарной диагностической установкой или специальными средствами технического диагностирования; накопление, хранение и передачу диагностической информации в стационарные средства диагностики для прогнозирования остаточного ресурса; взаимодействие со стационарными системами диагностики в качестве её измерительной подстанции.
Аппаратные средства бортовых систем диагностики тепловозов включают в себя: устройство обработки информации (центральный микропроцессорный блок); энергонезависимое запоминающее устройство; температурный измеритель; дисплейный модуль (один на каждую кабину); комплект датчиков и измерительных преобразователей; комплект помехозащищённых кабелей. Отдельные устройства обмениваются информацией по последовательным каналам связи с питанием от бортовой сети тепловоза (с напряжением 110 или 75 В постоянного тока).
Энергонезависимое запоминающее устройство предназначено для записи и хранения диагностической информации. Оно включает в себя съёмный энергонезависимый накопитель и бортовое приёмно-контактирующее устройство. Температурный измеритель предназначен для преобразования термоэдс и термосопротивлений в цифровой код. Дисплейный модуль предназначен для отображения диагностической информации в алфавитно-цифровом и графическом виде и ввода необходимых команд с многофункциональной клавиатуры. Комплект измерительных преобразователей давления, тока, напряжения превращает измеряемые физические величины в унифицированный электрический сигнал с уровнем ±5 мА (±5 В).
Рассмотрим в качестве примера систему диагностики тепловоза 2ТЭ10М, устанавливаемую при проведении так называемого «капитального ремонта с продлением срока службы (КПФ)».
Система диагностики состоит из дисплейного модуля машиниста, устройства сбора и обработки информации (УОИ), температурного измерителя (ИТ), набора преобразователей измерительных напряжения и тока, комплекта датчиков давления, термопреобразователей сопротивления, датчиков частоты вращения, датчика линейных перемещений и обеспечивает выполнение функций: сбор и обработка дискретных сигналов от электрической схемы локомотива, сбор и обработка аналоговых входных сигналов от датчиков и первичных преобразователей, сбор и обработка частотных входных сигналов от датчиков, приём и обработка диагностической информации от датчиков температур, выполнение алгоритмов диагностирования, выдача результатов диагностирования на дисплей пульта машиниста.
Дисплейный модуль (ДМ) пульта машиниста представляет собой цветную дисплейную панель и одноплатную микроЭВМ и обеспечивает связь и диспетчеризацию устройств системы диагностики, обработку поступающей диагностической информации, осуществление алгоритмов диагностирования и управления с заданной периодичностью, выдачу результатов диагностирования на дисплейную панель (в цифровом, графическом и текстовом виде), управление системой отображения диагностической информации, межсекционный обмен диагностической информацией.
Устройство сбора и обработки информации предназначено: для преобразования и гальванической развязки дискретных входных сигналов с уровнем бортовой сети тепловоза в стандартный ТТЛ (транзистор-транзисторная логика) уровень по шестнадцати каналам; преобразования аналоговых унифицированных электрических сигналов (0—5 В, 0—5 мА) от датчиков и первичных преобразователей в десятиразрядный цифровой код по пятнадцати каналам; преобразования частотных входных сигналов в диапазоне 10—5000 Гц с амплитудой 5—30 В в цифровой код по двум каналам; бесконфликтного обмена информацией с другими абонентами по последовательному каналу связи.
Температурный измеритель обеспечивает: приём и обработку сигналов от термосопротивлений, подключённых по четырёхпроводной схеме по двадцати четырём каналам; приём и обработку сигналов от термопар по двадцати четырём каналам; бесконфликтный обмен информацией с дисплейным модулем контроллера машиниста по последовательному каналу связи. Комплект датчиков обеспечивает преобразование параметров давлений, температур, перемещений, сигналов тока и напряжения в унифицированный аналоговый сигнал и частот вращения в нормализованный частотный сигнал напряжением от 0 до 30 В.
Система диагностики связана с объектом диагностирования датчиками и первичными преобразователями.
Ядром системы является дисплейный модуль ДМ, собирающий информацию от элементов системы по последовательным каналам связи, её анализ и выдачу результатов диагностирования. Блоки системы УОИ, ИТ, в свою очередь, собирают и первично обрабатывают информацию от измерительных преобразователей и контрольных точек электрической схемы тепловоза, а также передачу диагностической информации в ДМ.
УОИ питается от бортовой сети тепловоза. Блок УОИ вырабатывает напряжение питания датчиков, тока, напряжения, датчика положения реек топливных насосов. Для определения состояния схемы тепловоза в блок УОИ вводятся дискретные сигналы от органов управления (электрические автоматы, сигналы от пульта машиниста) и электроаппаратов (контакты реле, электропневматические клапаны) по пятнадцати каналам. Опрос дискретных каналов происходит программно каждые 0,1 с. Для устранения эффекта дребезга контактов предусмотрена программная фильтрация информации. Внешние дискретные сигналы гальванически развязаны от внутренних цепей блока регулирования. УОИ измеряет период входного частотного сигнала методом заполнения опорной частотой. Опрос аналоговых каналов происходит программно каждые 0,01 с. После включения питания на дисплейной панели пульта машиниста появится «основной» кадр с виртуальными приборами (см. рис. 1.6), а в левом верхнем углу отобразится номер позиции контроллера машиниста, чуть ниже — положение реверсора. Верхняя половина экрана предназначена для отображения информации комплексного локомотивного устройства безопасности (КЛУБ).
В нижней половине экрана расположены виртуальные амперметр и вольтметр главного генератора, термометры воды и масла на выходе из дизеля обеих секций. Мнемонические знаки (рис. 4.25) с изображением локомотивов в нижней части экрана предназначены для выбора соответствующей секции, контролируемые параметры которой можно просмотреть сенсорными клавишами.
Секция локомотива выбирается указанием на соответствующий мнемознак. Дисплейный модуль ДМ оборудован сенсорной клавиатурой, для срабатывания которой необходимо поднести на расстояние 0,5—1 см к соответствующей области дисплейной панели палец или любой другой предмет (ручку, карандаш). Прикосновения к экрану не требуется. После выбора секции тепловоза соответствующий ей мнемонический знак будет обведен рамкой и в правой нижней части экрана появятся мнемознаки системы меню.
У системы меню есть два уровня. На первом уровне пользователь может выбрать тип интересующего его тепловозного оборудования (например, дизельное или электрическое). Выход на желаемый второй уровень меню осуществляется указанием на соответствующий мнемонический знак.
При указании на мнемонический знак из меню второго уровня на дисплей выводятся соответствующие диагностические кадры, которые представляют собой упрощённые схемы соответствующих систем с включёнными в них виртуальными измерительными приборами. Значения контролируемых параметров отображаются в цифровом виде и по шкале виртуального прибора.
При выборе дизельного оборудования доступными становятся диагностические кадры, отражающие показатели работы дизеля, состояние масляной системы дизеля, топливной системы дизеля, системы воздухоснабжения.
Диагностический кадр «Общие параметры дизеля» отображает: частоту вращения коленчатого вала дизеля (F), условный обобщенный коэффициент эффективности дизель-генераторной установки (КДГУ), температуры отработавших газов по цилиндрам и на входе в турбокомпрессор. Буква «Т» на месте значения обобщенного коэффициента означает, что идёт тестирование. Численное значение КДГУ получается после работы тепловоза в тяговом режиме поочередно на всех позициях контроллера в течение не менее 10 с на каждой позиции.
На диагностическом кадре «Топливная система» показаны упрощённая гидравлическая схема топливной системы дизеля и контролируемые в ней параметры: температура топлива на входе в дизель; давление топлива до фильтра тонкой очистки (ФТО) и после него; перепад давления на фильтре; степень загрязнения ФТО; частота вращения коленвала.
Загрязнение ФТО определяется в процессе эксплуатации. Для получения процентного значения загрязнения тепловозу надо проработать на всех позициях не менее 5 с. До тех пор, пока загрязнение не определено, вместо численного значения выводится буква «Т», что означает тестирование.
На диагностическом кадре «Система воздухоснабжения» схематично изображена структура воздушной системы дизеля и контролируемые в ней параметры: температура выпускных газов на входе в турбину (правая и левая сторона); частота вращения ротора турбокомпрессора; давление наддувочного воздуха; разрежение на всасывании компрессора; температура воды на входе в охладитель наддувочного воздуха.
Для выхода из любого меню дизельного оборудования необходимо указать на правую нижнюю кнопку «Выход». Для просмотра параметров электрооборудования необходимо заново выбрать интересующую секцию тепловоза, затем указать на мнемознак «Электрическое оборудование».
В появившемся меню электрооборудования второго уровня доступными становятся диагностические кадры: бортовая сеть; система возбуждения; тяговые электродвигатели; регулятор мощности.
На диагностическом кадре «Бортовая сеть» упрощённо изображён фрагмент электрической схемы тепловоза с аккумуляторной батареей, вспомогательным генератором, регулятором напряжения. На фрагменте схемы отображены контролируемые параметры: напряжение на батарее, сопротивление изоляции плюсовой и минусовой цепей управления, исправность регулятора напряжения бортовой сети.
На диагностическом кадре «Система возбуждения» изображена упрощённая структурная схема системы регулирования возбуждения тягового генератора и контролируемые параметры: код угла управления ШИМ-ключа; ток возбуждения генератора; напряжение генератора; ток генератора; состояние контактора возбуждения; исправность дискретных выходных и ШИМ-ключей системы УОИ.
Диагностический кадр «Тяговые электродвигатели» схематично отображает напряжение блока диодов сравнения, общий ток ТЭД, состояние отключателей моторов (ОМ), контакторов ослабления возбуждения ТЭД(КШ1, КШ2). При отключении хотя бы одного из тумблеров ОМ1—ОМ6 на кадре отобразится отключатель ОМ в разомкнутом состоянии. При включении контакторов КШ1 или КШ2 на диагностическом кадре замкнется соответствующий ему знак.
Диагностический кадр «Регулятор мощности» представляет возможность увидеть: моторесурс и моточасы дизеля, уровень мощности (полный или селективный). На шкале отображается заданное и измеренное положение реек топливных насосов в условных единицах. Шкала предназначена для визуального контроля работы регулятора мощности по положению реек топливных насосов. На фоне дизеля отображаются: частота вращения вала дизеля (F), мощность на клеммах тягового генератора (Р), давление наддувочного воздуха (Ннадд).
Для выхода из любого меню необходимо указать на правую нижнюю кнопку «Выход».
При определении подсистемной диагностики неисправности в какой-либо контролируемой системе на дисплей машиниста выводится соответствующее тревожное сообщение. Для определения сообщения необходимо указать на его поле. Мнемознак, соответствующий системе, в которой обнаружена неисправность, окрашивается в красный цвет. Мнемознак, соответствующий секции тепловоза, тоже частично окрашивается в красный цвет.
Для отображения на основном кадре дисплея информации о токе и напряжении тягового генератора в цифровом виде необходимо указать на поле, расположенное в нижней части виртуального прибора. Повторное действие приводит к исчезновению цифровой информации.
Составные части системы диагностики (ДМ, блок УОИ) размещаются в кабине машиниста. Преобразователи тока и напряжения устанавливаются в правой высоковольтной камере тепловоза; ИТ, датчики давления, температуры находятся в дизельном помещении. Датчики частоты вращения и линейных перемещений размещаются на дизеле.
Колесно моторный блок
Колесно-моторный блок (КМБ) служит для преобразования электрической энергии в механическую и передачи ее от тягового двигателя (ТЭД) через тяговый шестеренный редуктор к осям колесных пар тепловоза. Колесно-моторный блок (рис. 7) состоит из следующих основных узлов: колесной пары, двух поводковых букс, осевого подшипника, тяговой передачи.
При опорно-осевом подвешивании одной стороной ТЭД жестко опирается на ось колесной пары через осевые подшипники, а другой стороной (опорным приливом упруго через пружинную подвеску) — на раму тележки.
В процессе эксплуатации не допускается ни при каких видах ремонта разъединение зубчатой пары до полного износа шестерни или колеса. Замену шестерни или колеса необходимо выполнять только при выходе их из строя.
Для технического диагностирования КМБ под локомотивом используются катковые стенды, которыми создаются колебательные движения, такие как при вращении колесных пар, приближая тем самым условия диагностирования к эксплуатационным. Следует отметить, что наиболее достоверную информацию о техническом состоянии любого объекта можно получить только в движении, в условиях рабочей нагрузки. Определение технического состояния кинематических пар виброакустическими методами возможно при их импульсном движении. Такой характер движения наблюдается при пересопряжении зубьев шестерен и перекатывании роликов подшипников по беговым дорожкам во время вращения колесной пары. Используя эти свойства деталей и узлов, измеряют вибрационные характеристики, по которым можно судить о техническом состоянии узла. Основными диагностическими параметрами КМБ можно считать значение виброперемещения или виброускорения и частоту виброколебаний. Существующие методы виброакустического диагностирования делятся на два вида: номинальный и рациональный.
Номинальный метод предполагает диагностирование объекта при номинальных частотах вращения. В этом режиме виброакустический сигнал содержит очень плотный спектр частот. Спектр частот заполняется не только полезной информацией, но и ненужной, вызванной соударениями, не несущими полезной информации. Из-за этого спектр виброакустического сигнала содержит много помех. Преимуществом данного метода является, то, что в полном спектре виброакустического сигнала есть динамическая составляющая сигнала дефектного элемента. Чем больше значение виброакустического сигнала, тем хуже техническое состояние объекта. Этот метод требует сложной и дорогостоящей аппаратуры диагностирование.