автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной надежности аппаратуры и значности системы АЛСН

МПС РФ

УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

КОВАЛЕНКО Владимир Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ АППАРАТУРЫ И ЗНАЧНОСТИ СИСТЕМЫ АЛСН

Специальность: 05.22.08 - Эксплуатация железнодорожного транспорта (включая системы сигнализации, централизации и блокировки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Соколов В.И.

ЕКАТЕРИНБУРГ -1998

СО ДЕРЖАНИЕ

с.

ВВЕДЕНИЕ 6

1. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ АЛСН И ПУТИ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ 11

1.1. Статистический анализ потока сбоев в работе системы АЛСН 11

1.2. Анализ потока отказов локомотивных устройств системы АЛСН 17 1.3 .Анализ влияния времени восстановления на уровень нормального

функционирования 21

1.4. Влияние системы технического обслуживания на эксплуатационную надежность системы АЛСН 24

1.5. Определение времени работы элементов до замены 29

1.6. Исследование возможности использования для приема фазоманипулированного ЧК дешифратора КЛУБ 32

^ 1.7. Постановка задач диссертации 35

2. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ЕМКОСТИ ЛОКОМОТИВНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ 36

2.1. Пути повышения надежности и помехоустойчивости АЛСН 36

2.2. Выбор способа увеличения информационной емкости числового

кода системы АЛСН 38

2.3. Разработка структурной схемы бесконтактного локомотивного дешифратора для системы АЛСНФ 43

2.4. Разработка структурной схемы фазового детектора 49

2.5. Исследование и анализ условий приема ФМ числового кода 55 2.5.1. Источники возникновения фазовых искажений в тракте приема и

/ обработки ФМ колебаний несущей числового кода 55 ' 2.5.2. Анализ погрешности определения начальной фазы колебаний

несущей импульсов числового кода 56

2.5.3. Обзор систем синхронизации опорных генераторов 64

2.5.4. Разработка, исследование и анализ возможности использования адаптивного по фазе опорного генератора в системе АЛСНФ 65

2.5.5. Разработка и анализ работы опорного генератора адаптивного

по фазе и частоте 70

2.5.6. Определение погрешности установки начальной фазы опорного генератора 78

2.5.7. Анализ погрешности определения фазы несущей ИЧК, возникающей из-за влияния работы схемы АРЧ 80

Выводы по второму разделу 93

3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ, РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТОВ С НЕСИММЕТРИЧНЫМИ ОТКАЗАМИ 94

3.1. Требования к надежности и особенности построения систем железнодорожной автоматики и телемеханики 94

3.2. Анализ элементной базы существующих систем железнодорожной автоматики 96

3.3. Принципы построения бесконтактных элементов с несимметричными отказами 98

3.4. Построение и исследование работы ЛЭНО 100

3.4.1. Разработка и исследование импульсно-потенциальной схемы совпадения 100

3.4.2. Логический анализ работы ИПСС 110

3.4.3. Разработка и анализ работы логических элементов с несимметричными отказами 112

3.4.4. Логический анализ работы элементов при отказах 117

3.5. Принцип динамического сравнения и построение на его основе

схем совпадения 122

Выводы по третьему разделу 132

-44. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ СИНТЕЗА СХЕМ ДЛЯ СЖАТ

И АНАЛИЗ ИХ РАБОТЫ 133

4.1. Анализ существующих методов надежностного синтеза 133

4.2. Принципы и методы синтеза схем для одноканальных систем железнодорожной автоматики и анализ их работы 138

4.2.1. Принцип действительной безопасности и метод синтеза схем на

его основе. Анализ их работы 138

4.2.2. Принцип раздельного контроля и метод синтеза схем на его

основе 144

4.2.3. Синтез схем сопряжения по выходу для бесконтактного локомотивного дешифратора и анализ их работы 149

4.2.4. Синтез и анализ схем контроля непрерывности импульсных последовательностей 153

Выводы по четвертому разделу 158 5. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ

ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ СИСТЕМЫ АЛСН 159

5.1. Обзор существующих решений 159

5.2. Разработка и исследование аппаратуры для вагона-лаборатории 161

5.2.1. Разработка структурной схемы системы АИСТ-4 162

5.2.2. Блок измерения пути и контроля скорости БИП и КС 164

5.2.3. Блок измерения временных параметров БИВП 166

5.3. Разработка и исследование портативного измерителя параметров кодовых рельсовых цепей и АЛСН 172

5.3.1. Обоснование необходимости разработки измерителя 172

5.3.2. Принципы преобразования импульсов числового кода 173

5.3.3. Разработка структурной схемы измерителя ИПКФ 175

5.4. Разработка и исследование измерителя-трансмиттера 178 5.4.1. Постановка задачи и обзор существующих решений 178

5.4.2. Выбор элементной базы для реализации измерителя-трансмиттера 181

5.4.3. Разработка структурной схемы измерителя-трансмиттера 183

5.4.4. Разработка программного обеспечения 186 5.5 Минимизация недоопределенных таблиц переходов конечного

автомата 192

Выводы по пятому разделу 202

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 203

ЛИТЕРАТУРА 205

ПРИЛОЖЕНИЯ 218 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Расчет средних значений времени коррекции

трансмиттерных реле 219 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Алгоритм и программа расчета времени до замены

элемента 221

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Расчет экономической эффективности системы АЛСНФ 224

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Результаты измерения параметров К293ЛП1А 229

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Схема локомотивного усилителя УК 25/50М 230

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Вольт-амперная характеристика диода схемы АРЧ 231

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Результаты расчета тока смещения 1см 232 ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Определение сопротивлений первой и второй ветвей

схемы АРЧ 233

ПРИЛОЖЕНИЕ 9. Алгоритм, программа и расчет напряжения Ub 237

ПРИЛОЖЕНИЕ 10. Структурная схема измерителя ИПКФ 244

-6-

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожный транспорт составляет основу транспортной системы Российской Федерации (РФ) и призван во взаимодействии с другими видами транспорта своевременно и качественно обеспечивать во внутреннем и в международном железнодорожном сообщениях потребности населения в перевозках и услугах, жизнедеятельность всех отраслей экономики и национальную безопасность государства, формирование рынка перевозок и связанных с ним услуг, эффективное развитие предпринимательской деятельности /1/. На его долю приходится более 75% грузооборота и 40% пассажирооборота, выполняемого транспортом общего пользования /2/.

Важнейшим направлением работы железнодорожного транспорта является переход на ресурсосберегающие технологии при содержании и ремонте технических средств с целью экономии трудовых, топливно-энергетических и материальных ресурсов при улучшении качества содержания и ремонта технических средств, повышения уровня их технического состояния и надежности. Важное значение в решении поставленных задач отводится автоматической локомотивной сигнализации (АЛС).

Большие резервы экономии энергии имеются в использовании оптимальных режимов ведения поездов с целью снижения количества остановок, разгонов, уменьшения ограничений скорости 121.

Затраты на техническое обслуживание и ремонт (ТОР) АЛС в течение срока службы в несколько раз превышают стоимость ее изготовления. Путями уменьшения этих затрат является повышение ее эксплуатационной надежности (ЭН) и внедрение средств технической диагностики и контроля. Решение этой задачи возможно на основе анализа отказов и сбоев в работе АЛС, который позволит определить узлы, лимитирующие надежность.

Учитывая, что достигнутый уровень технической оснащенности

средствами железнодорожной автоматики, обеспечивает пропускную способность направлений в соответствии с объемами перевозок на ближайшую перспективу, актуальной становится задача модернизации этих средств с целью расширения их функциональных возможностей и повышения ЭН.

Важное значение придается совершенствованию технологии обслуживания устройств автоматики, организации ремонта и проверки аппаратуры, связанной с обеспечением безопасности движения поездов.

Значительное сокращение объемов перевозок и снижение интенсивности движения поездов потребовало поиска резервов снижения трудовых затрат, уменьшения численности эксплуатационного штата. Специалистами НИИЖА разработана ремонтно-восстановительная технология (РВТ) обслуживания устройств, обеспечивающих движение поездов.

Основными принципами РВТ /3/ являются: обслуживание устройств по техническому состоянию и восстановительное обслуживание. При этом регламентные работы по обслуживанию устройств, от которых непосредственно зависит обеспечение безопасности движения, считаются приоритетными. Однако периодичность их проведения зависит от ряда факторов, включающих наличие средств диагностики и телеконтроля, резервирования отдельных элементов, уровня надежности, а также степени защищенности от опасного отказа.

Организация скоростного движения поездов, а также применение стрелок с различными марками крестовин требуют увеличения объема информации, передаваемой с пути на локомотив. Поэтому, наряду с внедрением новой системы АЛС - ЕН, реализованной в комплексе локомотивных устройств безопасности (КЛУБ), важной задачей является и расширение значности существующей системы АЛСН, которая используется в качестве резервной.

Разработка новых и совершенствование существующих систем АЛС

осуществляется специалистами ряда организаций: ВНИИЖТа МПС, МГУПСа, НИИЖА, ПГУПСа, УрГАПСа и др.

Большой вклад в развитие теории и практики создания систем АЛС внесли A.M. Брылеев, В.М. Лисенков, B.C. Дмитриев, Е.Г. Осташков, Ю.А Кравцов, В.И. Соколов и др.

Автоматическая локомотивная сигнализация непрерывного типа (АЛСН) является одним из основных узлов системы управления локомотивом. По состоянию на 01.01.96 года, практически весь локомотивный парк оснащен системой АЛСН. Одним из существенных недостатков АЛСН является ее низкая надежность, которая в основном определяется аппаратурной реализацией на электромагнитных реле. Наиболее ненадежными узлами АЛСН являются узлы, реализованные на реле с импульсным режимом работы. Недостатками релейных схем также являются: большая металлоемкость, большие габариты, вес, инерционность, большое энергопотребление, малая виброустойчивость, значительные трудозатраты на ремонт и регулировки и др.

Не вызывает сомнения и тот факт, что на основе традиционно применяемых для построения АЛС электромагнитных реле сложно создать высокоэффективные многофункциональные системы управления движением поездов и повысить технико-экономические показатели работы подвижного состава.

Непрерывный рост скоростей, интенсивности движения и веса поездов предполагает необходимость увеличения информационной емкости систем интервального регулирования. Даже при сравнительно невысокой скорости необходимо получать информацию о состоянии трех и более блок-участков, эта информация дает возможность сократить расход электроэнергии на тягу поездов за счет выбора наиболее рационального способа ведения поезда, снижения числа внеплановых торможений на запрещающие и ограничивающие

сигналы и повысить участковую скорость. Сокращение числа фактических торможений способствуют также уменьшению: износа ходовой части локомотивов и вагонов, расходов, связанных со сменой тормозных колодок, износом бандажей и рельсов.

В настоящее время созданы системы АЛС с повышенной значностью /4,...,7/. Внедрение этих систем связано с полным переоборудованием автоблокировки (АБ) на десятках тысяч километров путей. Помимо этого в этих системах применяется сигнальный ток повышенной частоты, что в условиях постоянного снижения сопротивления изоляции рельсовых линий ведет к ухудшению функционирования АБ. Для повышения надежности работы РЦ, в случае применения повышенных частот, сокращают длину блок-участков. Однако при оборудовании участков железной дороги системами с повышенными частотами, как правило, сохраняют АЛСН в качестве резерва, а также для управления движением локомотивов, которые не имеют аппаратуры новой системы АЛС.

В случае перехода на резервную четырехзначную АЛСН длина тормозного пути из-за коротких блок-участков не обеспечивается. Таким образом, возникает необходимость повышения значности и АЛСН числового кода. Одним из наиболее приемлемых путей решения этой задачи является использование фазового признака несущей кодовых импульсов с полным сохранением структуры числового кода (ЧК) /8/.

Системы, в том числе и АЛСН, должны иметь средства диагностики, телеконтроля, телеметрии, обоснованных уровней резервирование, что обеспечивает повышение надежности и сокращение расходов на эксплуатацию.

Все отказы, которые происходят в АЛСН, подразделяются на внезапные и постепенные. Если внезапные отказы, в силу природы их возникновения, не могут быть спрогнозированы, то постепенные отказы, вызванные старением

и износом элементов, могут быть спрогнозированы, а следовательно, предотвращены путем проведения профилактики и ремонта.

Ощутимые экономические потери, возникающие в результате отказов систем автоматики, в значительной мере определяются затратами времени на их поиск и устранение. Поэтому своевременное обнаружение отказов и их устранение в АЛСН также является весьма актуальной задачей.

Первым направлением решения этой задачи является создание систем автоматического контроля (САК) и систем технической диагностики (СТД), позволяющих автоматически обнаруживать отказы систем и своевременно прогнозировать значительную их часть /'9,10,11/.

Вторым направлением решения рассматриваемой задачи является создание автоматизированных систем для измерения и контроля временных и амплитудных параметров числового кода (ЧК), устанавливаемых в вагонах-лабораториях, а также автономных приборов для измерения временных и амплитудных параметров ЧК, необходимых при проведении технического обслуживания и ремонта (ТОР) АЛСН /12,..., 16/.

Таким образом, возникает необходимость исследования возможности увеличения значности дешифратора системы АЛСН на основе использования числового кода, исследование причин сбоев в приеме этого кода, разработке аппаратуры повышенной надежности и помехозащищенности, а также разработке средств для ее технической диагностики.

1. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ АЛСН И ПУТИ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

1.1. Статистический анализ потока сбоев в работе системы АЛСН

Исследования, проведенные ВНИИЖТом, показали, что на. грузонапряженных участках двухпутных линий из-за отказов устройств АЛСН снижение пропускной способности составляет при среднем и максимальном значении параметра потока отказов соответственно 0,05% и 0,1% /17/.

Автоматическая локомотивная сигнализация, созданная вначале как дополнительное к АБ средство обеспечения безопасности движения поездов, за последнее время превратилась в самостоятельную систему регулирования /18/. На двухпутных участках в настоящее время широко применяется организация движения поездов в неправильном направлении по сигналам АЛСН. Подход же к обслуживанию этой системы как к вспомогательному средству во многом сохранился. Поэтому не случайно, что количество сбоев в работе АЛСН значительно больше отказов устройств АБ.

Основными факторами, которые вызывают сбои в работе АЛСН, являются: искажение временных и амплитудных параметров ЧК, задержки включения кодирования, наличие зон без сигнального тока на границах изолирующих стыков, короткие стрелочные секции, воздействие всевозможных источников помех и т.д.

Одной из основных причин сбоев в работе АЛСН является уход параметров ЧК за пределы поля допуска. Из анализа сбоев в работе системы АЛСН за 1995 год на Свердловской ж.д., происшедших в пути следования из-за недостатков в работе напольных устройств, следует, что 296 случаев или 1,9% от общего количества всех сбоев приходится на заниженный кодовый ток в рельсовой линии и 697 случаев (4,65%) приходится на искажения временных

харакггеристик ЧК.

Анализ работы дешифрирующей аппаратуры этих устройств показал, что длительность самого короткого импульса и самого короткого интервала непосредственно в рельсовой линии должны быть не менее 0,12 с. /9/.

Из результатов измерений временных параметров низкоомных реле ТР-ЗБ(В) и ТШ-65 (значения времени коррекции Мк 1 = кт - 1пр1 приведены в табл. П. 1.1), которые были произведены при напряжении питания 12 В, следует, что время коррекции А М их отрицательно, т.е. они укорачивают длительность импульсов. Нормальность распределения результатов измерения времени коррекции А М трансмиттерных реле (ТР) проверена по критерию согласия Пирсона ("хи-квадрат"). Расчет параметров нормального распределения времени коррекции трансмиттерных реле типов ТР-ЗБ(В) и ТШ- 65 приведен в приложении 1. Оценочные значения: математическое ожидание среднего времени коррекции равно дГср.н = - 41,9 мс,

среднеквадратическое отклонение (эмпирический стандарт) -а'н = 10,26 мс.

Результаты статистического распределения времени коррекции ДЫ, полученные в результате измерения временных параметров реле типа ТР/ТШ-2000 (В) при напряжении п