Надежность устройств автоматики и телемеханики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казахская академия транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева

Факультет «Автоматизация и телекоммуникации»

Кафедра «Автоматизация и управление»

НАДЕЖНОСТЬ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ

КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ

для обучающихся бакалавриата специальности «Автоматизация и управление»

Алматы 2019

СОСТАВИТЕЛЬ: В. А. Шульц. Надежность устройств автоматики и телемеханики. Конспект лекций для обучающихся бакалавриата специальности 5В070200 - «Автоматизация и управление». - Алматы: КазАТК им. М.Тынышпаева, 2019. - 83 с.

Конспект лекций предназначен для самостоятельного изучения курса «надежность устройств автоматики и телемеханики»

В конспекте приведены основные технические характеристики и показатели надежности элементов и систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ).

Приведены и подробно описаны основные понятия и определения теории надежности не резервируемых и резервируемых систем.

Приведены статистические данные об отказах и системах их обработки и анализа

Рассмотрены методы расчета и нормирования показателей безопасности, а также вопросы влияния надежности систем управления на качество перевозочного процесса.

Конспекты лекций предназначены для обучающихся бакалавриата специальности 5В070200 - «Автоматизация и управление».

Лекция №1 Надежность систем автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте. (2 часа. Неделя 1).

План лекции:

- введение;

- цели и задачи дисциплины;

- основные принципы управления железнодорожным транспортом

1.1 Введение

Проблемы обеспечения бесперебойной и безопасной работы транспортно-комуникационного комплекса относятся к стратегическим приоритетам экономического и социального развития Республики Казахстан.

Эта главная задача железнодорожного транспорта в условиях рыночного хозяйствования и интеграции Казахстана в мировой экономике.

В этих условиях, важное значение приобретает четкая организация движения поездов.

Она в значительной степени определяет работу железнодорожного транспорта.

В настоящее время надежность считается недостаточной из-за низкого финансирования и условий перехода на рыночную экономику. Несмотря на усилия АО «Казахстан Темир Жолы» повысить надежность устройств до требуемого уровня практически не удается.

Качество перевозочного процесса на железнодорожном транспорте определяется быстротой и безопасностью доставки грузов и пассажиров к месту назначения.

Оба эти показателя решающим образом зависят от надежности функционирования систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ).

Отказы данных систем приводят к задержкам поездов, а в худшем случае, могут приводить к аварийным ситуациям и катастрофам.

Поэтому задачи по повышению работоспособности устройств автоматики и телемеханики остаются актуальными.

Повышение безопасности и совершенствование эксплуатационной работы железных дорог немыслимо без высокой надежности технических средств.

Обеспечение надежности СЖАТ является задачей разработчиков этих систем и эксплуатационного персонала. Первые должны создавать системы с высоким ресурсом надежности, вторые - поддерживать этот ресурс постоянно в процессе эксплуатации.

Поэтому специалисты по системам сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) должны знать основы теории надежности и владеть методами расчета и обеспечения надежности и безопасности различных систем автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте.

Особое значение имеет проблема доказательства и оценки безопасности СЖАТ. При разработке механических и релейных систем эта проблема в строгой постановке не ставилась.

Безопасность устройств обосновывалась простым здравым смыслом, простыми принципами работы и опытом экспертов.

В микропроцессорных и микроэлектронных системах для доказательства безопасности требуются расчеты показателей надежности и безопасности их программного обеспечения.

Обязательно проводятся необходимые имитационные, стендовые и эксплуатационные испытания.

Они составляют суть сертификационных работ, которые обязательно проводятся при создании новых систем автоматики и телемеханики, включая микропроцессорные.



1.2 Цели и задачи дисциплины

Теория надежности сформировалась в начале 50-х годов прошлого столетия в момент развития радио и вычислительной техники.

Впервые, работы по надежности устройств были опубликованы Майером, Стрелецким. В них приводились понятия теории надежности.

Следующим этапом развития теории надежности считаются 60-е годы. Они характеризуются резким повышением объема и уровнем исследования по проблеме надежности.

Пришло понимание принципов надежности и перехода от методов теории надежности к теории случайных функций.

При этом стало возможно учитывать накопленные сведения по остаточной деформации, усталостных повреждений и механических износов. В эти годы получила признание новое научное направление «Надежность техники».

Теория надежности начиналась с расчетов пути на прочность, надежность работы устройств автоматики и телемеханики.

В настоящее время разрабатываются такие разделы теории надежности как методы резервирования с восстановлением и без восстановления, методы оптимальной эксплуатации устройств автоматики и телемеханики, методы проведения испытаний образцов новой техники и расчет экспертных данных о надежности элементом и систем автоматики и телемеханики, появились стандарты по основным показателям надежности устройств.

На железнодорожном транспорте Казахстана особое значение приобретает ритмичная организация движения поездов, которое в значительной степени определяется бесперебойной работой устройств автоматики и телемеханики.

Обеспечение высокого уровня безотказности и безопасности систем железнодорожной автоматики и телемеханики является непростой научно-технической задачей и проблемой.

1.3 Основные принципы управления железнодорожным транспортом

Управление железнодорожным транспортом является сложной задачей, поскольку оно связано со своеобразной спецификой работы транспорта, что соответственно влечет за собой определенные проблемы и задачи.

Трудности их решения определяются особенностями эксплуатации систем железнодорожной автоматики телемеханики на современном этапе:

- непрерывный характер работы во времени (и днем и ночью);

- длительный срок службы устройств и систем (десятки лет);

- широкое распространение систем по всей стране (сотни и тысячи экземпляров);

- серийное производство систем в больших количествах на электротехнических заводах;

- сложные климатические условия (на юге и на севере);

- динамическое воздействие со стороны движущихся поездов; всевозможные электромагнитные поля, а также влияния тягового тока и грозовых разрядов;

- условия эксплуатации устройств и систем автоматики и телемеханики.

На сегодняшний день развернутая длина главных путей составляет 18832км.

Протяженность станционных путей составляет 6917 км.

Протяженность перегонов между станциями, на которых применяются различные системы автоматической блокировки составляет 10181.2 км; общая протяженность участков железной дороги, оборудованных различными системами диспетчерской централизации, включая современные микропроцессорные системы, составляет 8815,6 км; протяженность участков полуавтоматической блокировки казахстанской железной дороги составила 3685,8 км; общее количество стрелок электрической централизации на всех станциях 15,2 тысяч; количество стрелок оборудованных маршрутно-контрольными устройствами (МКУ) по Казахстану составляет 803 стрелки.

Состояние устройств автоматики и телемеханики напрямую сказывается на скорости движения поездов, которое может снижаться или повышаться в зависимости от технического состояния путей, стрелок и других устройств СЦБ и связи.

Решить эту проблему можно только путем массового перехода на укладку бесстыковых путей, с применением железобетонных шпал, применение более надежных реле и других средств автоматики, повышению уровня работы устройств автоматики, телемеханики и связи.

Контрольные вопросы

1.К какой категории относятся вопросы, связанные с проблемами обеспечения бесперебойной и безопасной работы железнодорожного транспорта Казахстана?

2. Без чего немыслимо решение вопросов повышения безопасности движения поездов (БДП) и совершенствования показателей эксплуатационной работы железнодорожного транспорта?

3. Когда сформировалась теория надежности как наука?

4. Какие приоритетные разделы теории надежности разрабатываются в настоящее время?

5. Каковы основные показатели технической оснащенности железной дороги устройствами автоматики и телемеханики на данный момент?

6. На что непосредственно влияет состояние устройств железнодорожной автоматики и телемеханики на современном этапе?

Задание на СРО: Письменно привести краткий обзор на тему: «Анализ мирового опыта управления железнодорожным транспортом».



Список рекомендуемой литературы

1. Сапожников Вл. В. и др. Надежность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебное пособие. Москва: ФГБУ ДПО, 2017. 320 с.

2. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Шаманов В.И. Надежность систем железнодорожной автоматики и телемеханики: Учебное пособие. Москва: Маршрут, 2013. 267 с.

3. Организация и основы технологии работы хозяйства сигнализации и связи Учебное пособие / Ю.Е. Просвиров, Т.В. Щербицкая ; под ред. проф. Ю.Е. Просвирова/ - Самара: СамГУПС, 2007. 99 с.

4. Амиров М.Ш., Амиров С.М. Единая транспортная система: Учебник / - Москва: КНОРУС, 2017. - 178 с.

5. Государственная программа развития и интеграции инфраструктуры транспортной системы РК до 2020 года, утвержденная Указом Президента Республики Казахстан от 13 января 2014 года № 725



Лекция №2 Техническая кибернетика и ее проблемы при решении вопросов надежности работы устройств. (1 час. Неделя 2)

План лекции:

- основное назначение и задачи технической кибернетики;

- автоматизация и телемеханизация перевозочного процесса

- методы теории надежности и живучести

2.1 Основное назначение и задачи технической кибернетики

Комплексная автоматизация и организация перевозок с соблюдением требований по беспрекословному обеспечению безопасности движения поездов (БДП) содержит в себе автоматизацию технологических процессов работы дорог и автоматизацию или телемеханизацию процессов управления, выполнения человеком при регулировании движения поездов на станциях, перегонах и сортировочных горках.

Решение этих проблем входит в задачу технической кибернетики (Т.К.).

Техническая кибернетика - является наукой об управлении системами или производственными комплексами и служит теоретической базой комплексной автоматизации и телемеханизации промышленности, транспорта, в частности железнодорожного.

Содержание технической кибернетики и комплексной автоматизации можно представить в виде структурной схемы.

Считается, что основной задачей комплексной автоматизации и телемеханизации перевозок железнодорожного транспорта процесса является решение проблемы «Человек-автомат».

При решении этой проблемы понятие «Автомат» исключает психологическую напряженность и физиологическую перегруженность управления функций человека, дает возможность сделать труд человека еще более производительным и этим обеспечить эффективность перевозочного процесса.

2.2 Автоматизация и телемеханизация перевозочного процесса

Успешная комплексная автоматизация и телемеханизация перевозочного процесса, при условном обеспечении: надежности, живучести и долговечности элементов и систем железнодорожной автоматики и телемеханики, надежности функционирования системы, и человека - «оператор», т.е. поездной диспетчер (ДНЦ), дежурный по станции (ДСП), машиниста поезда, персонала, непосредственно связанного с обслуживанием технических средств железнодорожного транспорта.

Теоретическое и практическое решение этих проблем требует разработки следующих направлений:

Анализа и синтеза надежности, живучести и долговечности элементов и систем железнодорожной автоматики и телемеханики

Автоматизированный контроль качества элементов и систем автоматики и телемеханики.

Оценка стоимости надежности, живучести и долговечности различных современных систем.

Проектирование живучих и долговечных систем автоматики и телемеханики для станционных устройств, различных типов перегонов и сортировочных горок.

Анализа и синтеза надежности живучих и выносливых систем «Человек-оператор» на железнодорожном транспорте Казахстана.

Построение долговечных и живучих самонастраивающихся автоматов для оптимального решения проблемы «Человек- автомат» на высшем этапе комплексной автоматизации и телемеханизации железнодорожного транспорта.

Вопросы надежности схем автоматизации обеспечивают безопасность движения поездов (БДП), необходимо также обеспечивать надежную защищенность схем от воздействия различного рода «помех», непосредственно оказывающих отрицательные и опасные влияния на работу различных устройств и систем автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте.

Теория надежности и живучести занимается изучением общих закономерностей, свойственным элементам и систем автоматики, телемеханики и связи, которые необходимо учитывать при проектировании, изготовлении, испытаниях, при приемке и эксплуатации для того, чтобы достигнуть максимального эффекта.

2.3 Методы теории надежности и живучести

Методы теории надежности и живучести позволяют:

1) Установить закономерное воздействие внешних и внутренних факторов на элементы и процессы отказов в устройствах и системах автоматики и телемеханики.

2)Разработать методику анализа и синтеза надежности и живучести, необходимых для конструирования, проектирования и изготовления элементов и системы автоматики и телемеханики.

3)Разработать методику прогнозирования отказов, восстановления работоспособности элементов и систем автоматики и телемеханики, и образования запасных частей приборов, механизмов.

Разработать методику сбора, учета и анализа статистических сведений о работе элементов и систем автоматики и телемеханики в различных условиях эксплуатации.

Определить оптимальные критерии оценки единства связи экономических, технических и технологических сторон надежности и живучести различных систем автоматики и телемеханики (включая микропроцессорные).

Разработать методы проведения лабораторных и эксплуатационных испытаний на надежность, живучесть и долговечность современных микропроцессорных систем автоматики и телемеханики на сети железной дороги Казахстана.

Рассмотреть режимы профилактических работ при эксплуатации и ремонте различных систем автоматики и телемеханики.

Разработать оптимальные методы контроля качества готовой продукции и качества работы элементов и систем железнодорожной автоматики и телемеханики в период их эксплуатации.

Контрольные вопросы

1.Что включает в себе понятие комплексная автоматизация и телемеханизация транспорта?

2.Какие проблемы решает теория надежности и живучести устройств автоматики и телемеханики?

3.Чем обоснована необходимость прогнозирования отказов устройств сигнализации, централизации и блокировки на железнодорожном транспорте?

4.Чем вызвана необходимость сбора, учета и анализа статистических данных об отказах устройств и систем автоматики и телемеханики?

5.Каково основное назначение профилактических работ при эксплуатации устройств, связанных с безопасностью движения поездов?

6.Что исключает понятие «Автомат» в системе «Человек-автомат»?

Задание на СРО: Письменно привести краткий обзор на тему: «Перспективы развития хозяйства сигнализации и связи на железной дороге Республики Казахстан».



Список рекомендуемой литературы

1. Сапожников Вл. В. и др. Надежность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебное пособие. Москва: ФГБУ ДПО, 2017. 320 с.

2. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Шаманов В.И. Надежность систем железнодорожной автоматики и телемеханики: Учебное пособие. Москва: Маршрут, 2013. 267 с.

3. Организация и основы технологии работы хозяйства сигнализации и связи Учебное пособие / Ю.Е. Просвиров, Т.В. Щербицкая ; под ред. проф. Ю.Е. Просвирова/ - Самара: СамГУПС, 2007. 99 с.

4. Амиров М.Ш., Амиров С.М. Единая транспортная система: Учебник / - Москва: КНОРУС, 2017. - 178 с.

5. Государственная программа развития и интеграции инфраструктуры транспортной системы РК до 2020 года, утвержденная Указом Президента Республики Казахстан от 13 января 2014 года № 725



Лекция №3 Основные термины и понятия теории надежности. (2часа. Неделя 3)

План лекции:

- термины и определения теории надежности;

- понятие «отказы» и их разновидности в устройствах автоматики и телемеханики;

- количественные понятия теории надежности

3.1 Термины и определения теории надежности

Надежность элементов и систем - есть совокупность их свойств, определяющих степень возможности этих элементов по назначению в течение заданного времени.

Качество элементов и систем - есть совокупность их свойств, определяющие степень пригодности этих элементов для использования по назначению.

Надежность устройств автоматики и телемеханики - это качество, развернутое во времени.

В понятие надежности входят: безотказность в работе, долговечность, ремонтопригодность, точность исполнения функций по назначению;

Безотказность - это способность сохранять работоспособность (без отказов) в течение заданного времени в определенных условиях эксплуатации.

Безотказность не допускает отказа, но допускает повреждения.

Долговечность - это его способность к длительной эксплуатации в заданных условиях, вплоть до полного разрушения или другого предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Долговечность допускает отказы, которые должны устранятся. Поэтому в определении долговечности отсутствует слово «непрерывно». Долговечность не допускает предельного состояния и определяет, таким образом, срок службы объектов автоматики и телемеханики.

Ремонтопригодность элемента (схемы) - есть свойство приспособления к предупреждению обнаружения и устранению отказов или приспособлению к восстановлению после отказа в результате проведенного технического обслуживания и необходимого ремонта.

Это свойство облегчает обслуживание технического объекта при его эксплуатации.

Например, современные системы железнодорожной автоматики строят обычно в блочном виде со штепсельным включением и сигнализацией возникновения отказов в каждом блоке.

Это позволяет быстро обнаруживать отказавший блок и заменять его на исправный.

Ремонтопригодность измеряется затратами труда, временем, средствами для восстановления действия.

Сохраняемость - это свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в процессе хранения и после него и (или) в процессе транспортировки.

Живучесть систем АТС - это сумма свойств, определяющих степень возможности исполнения своей функции по назначению даже при перегрузке.

3.2 Понятие «отказы» и их разновидности в устройствах автоматики и телемеханики

Понятие надежности тесно связано с понятием отказа.

По характеру их возникновения выделяют отказы внезапные, постепенные и перемежающиеся (сбои).

Внезапные, или катастрофические, отказы происходят в результате скачкообразного изменения значений параметров объекта.

Внезапный отказ - это случайное событие. Его трудно предсказать и можно ожидать только с определенной степенью вероятности.

Примерами могут служить перегорание электрической лампочки, пробой переходов транзистора, обрыв резистора, выход из строя конденсаторов.

Постепенные отказы происходят в результате постепенного изменения значений параметров объектов в результате их старения.

Постепенный отказ можно прогнозировать.

Примером постепенного отказа у реле является отказ контактов в результате их окисления в процессе длительной эксплуатации.

Постепенные отказы особенно характерны для механических систем и в основном причиной этого является усталость металла.

Когда происходит отказ и объект теряет свою работоспособность, возможны две ситуации.

Первая - объект не ремонтируют и больше не используют по назначению. Такой объект называют невосстанавливаемым.

Он работает только до первого отказа.

Данная стратегия использования объекта применяется, если его восстановление технически невозможно или экономически невыгодно.

Например, технически невозможно в условиях эксплуатации отремонтировать большую интегральную схему.

Может оказаться экономически нецелесообразным ремонтировать космический спутник, отказавший на орбите.

Вторая ситуация - выполняется ремонт объекта, который затем можно снова использовать по назначению. Такой объект называется восстанавливаемым.

Большинство систем железнодорожной автоматики и телемеханики являются восстанавливаемыми обслуживаемыми системами.

В системах автоматики и телемеханики опасные отказы могут приводить при определенной поездной ситуации к нарушению безопасности движения.

К таким отказам относятся, например, отказы, приводящие к ложному появлению на светофоре более разрешающего огня, самопроизвольному переводу стрелок, появлению ложной информации о свободности путевых и стрелочных участков на станциях и перегонах.

Опасное состояние - неработоспособное состояние системы, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего ее способность выполнять заданные функции по обеспечению безопасности движения поездов, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

В соответствии с данными определениями различают также защитные и опасные отказы.

Понятие надежности, живучести и долговечности относятся к качественным понятиям.

Защитный отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния системы при сохранении защитного состояния.

Опасный отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособного и защитного состояний объекта или системы автоматики и телемеханики.

Опасный отказ систем железнодорожной автоматики и телемеханики может привести к возникновению аварии крушению поезда, но в большинстве случаев этого не происходит, поскольку возникновение аварии связано также с существующей в данный момент поездной ситуацией и с действиями человека-оператора (дежурный по станции, поездной диспетчер, электромеханик СЦБ и другие.)



3.3 Количественные понятия теории надежности

К количественным понятиям перечисленных свойств относятся вероятные величины, для расчетов вводятся понятия необходимые и достаточные условия.

Механические неисправности аппаратов и устройств, искажение информации, ошибки движенцев, механиков СЦБ и связи, могут привести к сбою графика движения поездов, возникновения опасных ситуаций и к материальным потерям.

Можно посчитать средние по времени материальные потери.

Средние по времени потери от ненадежности и не живучести дают достаточно полную объективную характеристику станции по вопросам снижения безопасности движения поездов (Б.Д.П.) и в целом по перевозочному процессу.

Это необходимо всесторонне учитывать при оценке вновь разрабатываемых систем автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте.

Контрольные вопросы

1. К каким последствиям могут привести всевозможные отказы систем и устройств автоматики и телемеханики на железной дороге?

2. Влияет ли «Человеческий фактор» на решение вопросов обеспечения безопасности движения поездов, на сети дорог Казахстана?

3. Когда необходимо учитывать вопросы обеспечения надежности устройств и систем автоматики и телемеханики?

4. В каких случаях объект является исправным?

5. Чем характеризуется понятие «безотказность» объектов автоматики и телемеханики?

6. Какими показателями характеризуется понятие «живучесть» систем автоматики и телемеханики?

Задание на СРО: Письменно привести краткий обзор и подготовить реферат на тему: «Надежность напольных устройств автоматики и телемеханики».



Список рекомендуемой литературы

1. Сапожников Вл. В. и др. Надежность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебное пособие. Москва: ФГБУ ДПО, 2017. 320 с.

2. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Шаманов В.И. Надежность систем железнодорожной автоматики и телемеханики: Учебное пособие. Москва: Маршрут, 2013. 267 с.

3. Организация и основы технологии работы хозяйства сигнализации и связи Учебное пособие / Ю.Е. Просвиров, Т.В. Щербицкая ; под ред. проф. Ю.Е. Просвирова/ - Самара: СамГУПС, 2007. 99 с.

4. Амиров М.Ш., Амиров С.М. Единая транспортная система: Учебник / - Москва: КНОРУС, 2017. 178 с.

5. Государственная программа развития и интеграции инфраструктуры транспортной системы РК до 2020 года, утвержденная Указом Президента Республики Казахстан от 13 января 2014 года № 725



Лекция 4 Надежность элементов и систем железнодорожной автоматики и телемеханики (1 час. Неделя 4)

План лекции:

- потенциальная (производственная) надежность систем автоматики и телемеханики;

- эксплуатационная надежность устройств и систем автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте;

- характеристика основных этапов эксплуатации устройств и систем автоматики и телемеханики на производстве

4.1 потенциальная (производственная) надежность систем автоматики и телемеханики

Надежность элемента и системы телемеханизации и свойств есть вероятность того, что элемент или система будет безотказно работать в течение заданного времени в данных условиях эксплуатации и будет сохранять долговечность с заданной ремонтопригодностью элементов и систем железнодорожной автоматики и телемеханики.

Любая система должна в полной мере обладать свойствами, непосредственно обеспечивающими безопасность движения поездов (БДП) в любой поездной ситуации, в любое время суток и при любой погоде. Системы железнодорожной автоматики и телемеханики должны обладать еще и свойством защищенности от воздействия помех, чтобы не было ложных, срабатываний.

Свойства защищенности от воздействия помех и неправильных действий обслуживающего персонала обычно обеспечиваются конструктивными и рабочими параметрами с применением соответствующих материалов.

Системы автоматики и телемеханики еще должны дополняться алгоритмом функционирования или логикой структурного построения системы. Этим обеспечена надежность, безотказность и долговечность.

Надежность систем автоматики и телемеханики целесообразно подразделять на потенциальную (производственную) и эксплуатационную.

В свою очередь, как в потенциальную, так и в эксплуатационную составляющие надежности можно выделить в самостоятельные понятия: надежность элементов и систем железнодорожной автоматики и телемеханики.

В потенциальную (производственную) надежность можно включить периоды хранения и транспортировки элементов и систем автоматики и телемеханики при доставке их к месту эксплуатации.

4.2 Эксплуатационная надежность устройств и систем автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте

Время строительства и монтажа, пуска, регулирования и наладки различных систем автоматики и телемеханики является начальным временем для исчисления эксплуатационной надежности систем.

В течение всего периода работы различных обычных и микропроцессорных систем эксплуатационная надежность систем автоматики и телемеханики не будет оставаться на месте, т.к. будут воздействовать объективные и субъективные факторы.

Закономерные изменения надежности сложной системы можно охарактеризовать кривой распределения вероятностей отказов (числа).



Из анализа кривой видим, что интенсивность отказов на участке (ОАБ) может иметь относительно большую величину и меняться по нестандартному характеру.

Она может оценить качество конструирования, проектирования, изготовления и контролирования качества элементов и систем автоматики телемеханики на всех этапах ее разработки и испытаний.

Количество отказов в период пуска и регулировки будет постепенно снижаться по мере выявления и устранения значительных и незначительных ошибок конструкторов, проектировщиков и персонала заводских работников, непосредственно связанных с монтажом и испытанием элементов и устройств различных систем автоматики и телемеханики.

Также будет сказываться, на состояние устройств в период пуска и наладки любой системы автоматики и телемеханики недоработки персонала строительно-монтажных поездов и работников дистанции сигнализации и связи, непосредственно задействованных на монтаже и настройке системы.

В период нормальной эксплуатации, участок (Б-В) интенсивность отказов уменьшается и носит неизменный, вполне предсказуемый и постоянный характер, т.е. вероятность появления отказа за время At напрямую не зависит от At на участке t_n - t_э сами отказы как правило, являются внезапными, они возможны вследствие внезапных скачков субъективного (по воли человека) и объективного (независимо от человека) факторов.

Оказывают влияние сезонные работы, соблюдение графика технологического процесса обслуживания устройств сигнализации, централизации и блокировки на станциях и перегонах дистанции сигнализации и связи.

После продолжительного (до нескольких десятков лет) периода нормальной эксплуатации систем автоматики и телемеханики на сети дорог Казахстана наступает период их интенсивного износа (участок В-Г).

Показатели работы различных систем автоматики и телемеханики на этом этапе отрицательно воздействует на надежность систем, количество отказов резко возрастает и обретает не предсказуемый и неуправляемый характер по причине морального, а затем и значительного физического износов элементов и устройств любой системы автоматики и телемеханики.

Количество отказов на участке В-Г возрастает постепенно во времени и уже не уменьшается и после точки (Г) и времени t_c наступает период, когда эксплуатация становиться нецелесообразной.

Малый и средний ремонт устройств, становится дорогим и не имеет смысла, т.е. пришло время, когда просто необходимо заменить устаревшую систему или провести капитальный ремонт (если это возможно).

Контрольные вопросы

1. Какими свойствами должна обладать любая система автоматики и телемеханики в период ее эксплуатации?

2. Чем обеспечиваются свойства защищенности систем от воздействия различных помех и неправильных действий обслуживающего персонала?

3. На какие составляющие делится надежность систем автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте?

4. Чем характеризуется период пуска и регулировки систем автоматики и телемеханики?

5. Каковы основные показатели периода нормальной эксплуатации устройств?

6. На каком участке диаграммы резко возрастает количество отказов системы и чем это вызвано?

Задание на СРО: Письменно привести краткий обзор на тему: « Основные причины отказов элементов систем железнодорожной автоматики и телемеханики».



Список рекомендуемой литературы

1. Сапожников Вл. В. и др. Надежность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебное пособие. Москва: ФГБУ ДПО, 2017. 320 с.

2. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Шаманов В.И. Надежность систем железнодорожной автоматики и телемеханики: Учебное пособие. Москва: Маршрут, 2013. 267 с.

3. Организация и основы технологии работы хозяйства сигнализации и связи Учебное пособие / Ю.Е. Просвиров, Т.В. Щербицкая ; под ред. проф. Ю.Е. Просвирова/ - Самара: СамГУПС, 2007. 99 с.

4. Амиров М.Ш., Амиров С.М. Единая транспортная система: Учебник / - Москва: КНОРУС, 2017. 178 с.

5. Государственная программа развития и интеграции инфраструктуры транспортной системы РК до 2020 года, утвержденная Указом Президента Республики Казахстан от 13 января 2014 года № 725



Лекция №5 Количественные показатели надежности

План лекции:

- факторы, влияющие на надежность систем автоматики и телемеханики в период их эксплуатации;

- объективные факторы, влияющие на надежность устройств автоматики и телемеханики при их эксплуатации:

- методы испытания систем и их элементов на надежность

5.1 Факторы, влияющие на надежность систем автоматики и телемеханики в период их эксплуатации

В период эксплуатации на надежность систем влияют объективные факторы (субъективные не учитываются).

В качестве основного показателя объективных факторов можно называть интенсивность, продолжительность и частоту повторений воздействия тех или иных факторов на элементы и схемы автоматики и телемеханики.

Все факторы можно представить на рисунке 5.1:



Рисунок 5.1 Факторы, влияющие на надежность систем автоматики и телемеханики в период их эксплуатации

Факторы, вызывающие изменения в элементах и системах вплоть до разрушения (стихия, буря и т.д.) и поломок - называются внешними (не зависимо от устройств), и факторы, зависящие от свойств элементов и систем, называются внутренними.

Внутренние факторы, в основном, влияют на частоту отказов.

При решении вопроса повышения надежности необходимо иметь статистический учет воздействия факторов (рисунок.), поскольку устройства автоматики и телемеханики (стрелки, сигналы, рельсовые цепи) работают на открытом воздухе (в полевых условиях), а часть устройств работают в не отапливаемых помещениях (релейные шкафы, трансформаторные подстанции, трансформаторы, реле).

Поэтому все эти объекты более других подвержены влиянию температуры, влажности, вибрации, пыли, песок, изменению температуры, свет, дождь и т.д.

Все это влияние на работу устройств, в отрицательном смысле, приводит к частичной или полной потери их работоспособности по сравнению с другими устройствами.

5.2 Объективные факторы, влияющие на надежность устройств автоматики и телемеханики при их эксплуатации

Рассмотрим влияние на надежность устройств систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) климатических, механических, радиационных факторов и воздействия со стороны обслуживающего персонала.

Основными климатическими факторами окружающей среды являются: солнечная радиация, температура и относительная влажность воздушной среды, ее плотность, движение, наличие в ней твердых и газообразных примесей; снег, дождь, туман, иней, роса.

Солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, является одним из основных климатических факторов. В спектре излучаемой солнечной энергии около 9% приходится на ультрафиолетовую часть, около 50% - на видимую часть спектра и около 41% на инфракрасные волны.

Концентрация пыли в окружающем воздухе - для характеристики условий эксплуатации изделий определены три уровня концентрации пыли: 0,18; 1.0 и 2.0 г/м3. Из газообразных примесей в воздухе наиболее опасными являются сернистый газ и хлористые соли. В воздухе содержатся также различные бактерии, грибковые споры.

Плесневые грибки, попадая в аппаратуру, способны разлагать высокомолекулярные соединения как естественного, так и искусственного происхождения.

Влияние изменения температуры. Повышение температуры вызывает ускорение протекания химических реакций. Под влиянием периодических тепловых воздействий происходят деформации элементов конструкций, обусловленные различными механическими повреждениями.

Параметры полупроводниковых приборов заметно изменяются даже при сравнительно небольших положительных температурах (выше 40…50 градусах С). У кремниевых полупроводниковых приборов эта зависимость меньше.

Изоляционным материалам с большой диэлектрической проницаемостью также присуща сильная зависимость от их температуры.

Удельное объемное сопротивление полярных пластмасс с повышением температуры резко падает.

Под действием тепла механическая прочность изоляции уменьшается; электрическая прочность вначале увеличивается вследствие удаления из материала влаги, а затем уменьшается до ее первоначального значения, и в итоге изоляция разрушается.

У многих органических изоляционных материалов, применяющихся для пропитки, заливки и обволакивания элементов устройств СЖАТ, действие тепла ускоряет медленно протекающие химические процессы - это называется тепловым старением.

Изменения температуры вызывают линейные изменения размеров деталей. Линейные расширения материалов ухудшают работу устройств, например, зубчатых соединений, нередко приводят к разрушению паяных швов.

Тонкие монтажные провода с большим предварительным натяжением при пониженной температуре обрываются обычно в местах их соединения с жесткими (неподвижными) выводами.

Полностью защитить аппаратуру и устройства от перегрева или охлаждения не удается, поэтому выбор материала и конструкции должен производиться с учетом всех последствий влияния изменения температуры.

Влияние влажности Под действием влаги у металлических поверхностей изменяется цвет, степень шероховатости, электропроводность, поверхностная прочность, ослабевают крепежные соединения.

Латунные детали в местах больших механических напряжений под действием повышенной влажности ломаются.

Вредное действие оказывает влага в виде конденсата на поверхностях деталей систем автоматики и телемеханики, образующего при быстром изменении температуры.

Использование благородных металлов и их сплавов не гарантирует отсутствие отказов в работе устройств в условиях повышенной влажности.

Воздействие влаги на неметаллические материалы узлов СЖАТ вызывает более существенное изменение их выходных параметров (текстолит, гетинакс, полистирол, полиэтилен).

В меньшей степени влага влияет на параметры керамических материалов и на некоторые неполярные органические материалы (фторопласт).

Механические воздействия на устройства ЖАТ могут происходить как в процессе эксплуатации, так и при транспортировке. Различают два вида механических воздействий: удары и вибрации.

Удары возникают в тех случаях, когда устройства ЖАТ претерпевают быстрое изменение ускорения. От ударов могут происходить разрушения слабых элементов конструкции или элементов, находящихся под механическим напряжением.

Например, выводы кабельных жгутов, резисторов, конденсаторов, полупроводниковых приборов, если они были сильно натянуты в проце6ссе монтажа.

Действие ударов в условиях пониженной температуры вызывает значительно больше повреждений конструкций устройств автоматики и телемеханики, чем в нормальных условиях работы, из-за повышенной хрупкости многих изоляционных материалов, а также возникающих при охлаждении напряжений в отдельных частях конструкции.

Вибрация представляет собой периодические колебания (чаще сложные), которым подвергаются устройства и системы ЖАТ. Вызывают они обычно те же последствия, что и удары.

Опасность их состоит в том, что длительное действие вибрации приводит к к разрушению элементов конструкций за счет явлений усталости, которая при знакопеременных нагрузках проявляется в большей степени, чем при статических нагрузках.

При длительном действии вибрации разбалтываются винтовые и расшатываются заклепочные соединения, а сварные просто разрушаются.

Монтажные провода, жгуты и кабели при вибрациях могут обрываться, особенно если отдельные негибкие провода сильно натянуты или попадают в механический резонанс.

Очень низкие частоты вибрации (несколько Герц) могут приводить к обрыву трансформаторов, блоков, электрических конденсаторов и т.п.

Воздействие проникающей радиации. Движение заряженных частиц большой энергии в веществах приводит к потере энергии, затрачиваемой ими почти полностью на возбуждение связанных электронов.

Наиболее устойчивы к воздействию облучения металлы. У электротехнической стали и магнитных материалов заметно изменяется магнитная проницаемость.

Поэтому все это учитывается при проектировании и конструкции, также создаются лабораторные и полигонные испытания, где условия соответствуют эксплуатационным.

5.3 методы испытания систем и их элементов на надежность

Метод испытания на надежность как опытного (нового), так и серийного образца может быть следующим: выбирают 10-20 образцов опытных и серийных элементов, измеряют и записывают их основные конструктивные и рабочие параметры при обычных условиях, потом их помещают в экспериментальные условия, например в тепловую камеру в температуру плюс 60°С на несколько часов, затем снова измеряют все параметры, затем помещают в морозильную камеру, где создают температуру минус 40°С, и снова измеряют все параметры, затем в камеру влажности (до 98%) на 48 часов, и снова измеряют все параметры.

Это повторяется не менее пяти раз, за это время выявляются дефекты малонадежных или ненадежных элементов и деталей устройств и систем (их конструкторы заменяют на более надежные или дорабатывают их механические и электрические характеристики).

Затем испытывают на вибрации определенной амплитудой (которая будет при эксплуатации), и снова измеряют все параметры и дорабатывают. Завершающим этапом испытаний на надежность является на количество срабатывания или на износ (реле, блоки, системы автоматики и телемеханики), т.е. на срок службы или долговечность, проводиться до тех пор, пока устройства не будут отвечать «требованиям на надежность» - для выхода в серию.

Контрольные вопросы

1. Какие факторы влияют на надежность устройств в период их эксплуатации?

2. Каковы основные показатели объективных факторов, влияющих на надежность устройств и систем автоматики и телемеханики?

3. Какие факторы называются внешними и внутренними и их основные влияния на надежность устройств?

4. Чем объясняется необходимость испытания устройств и элементов систем на надежность?

5. Какие методы испытаний на надежность используются на заводе в лабораториях?

6. На что испытываются элементы и устройства автоматики и телемеханики на завершающем этапе испытаний в лабораториях?

Задание на СРО: Подготовить реферат на тему: «Внешние факторы, влияющие на надежность систем железнодорожной автоматики и телемеханики».

Список рекомендуемой литературы

1. Сапожников Вл. В. и др. Надежность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебное пособие. Москва: ФГБУ ДПО, 2017. 320 с.

2. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Шаманов В.И. Надежность систем железнодорожной автоматики и телемеханики: Учебное пособие. Москва: Маршрут, 2013. 267 с.

3. Организация и основы технологии работы хозяйства сигнализации и связи Учебное пособие / Ю.Е. Просвиров, Т.В. Щербицкая ; под ред. проф. Ю.Е. Просвирова/ - Самара: СамГУПС, 2007. 99 с.

4. Амиров М.Ш., Амиров С.М. Единая транспортная система: Учебник / - Москва: КНОРУС, 2017. 178 с.

5. Государственная программа развития и интеграции инфраструктуры транспортной системы РК до 2020 года, утвержденная Указом Президента Республики Казахстан от 13 января 2014 года № 725



Лекция №6. Расчет надежности узлов и схем

План лекции:

- понятие «рассчитать устройство» на надежность;

- экспоненциальный закон надежности действия устройств и систем автоматики и телемеханики;

- прикидочный расчет надежности действия устройств;

- ориентировочный расчет надежности действия устройств

6.1 Понятие «рассчитать устройство» на надежность

Важным этапом в проектировании устройств, дающий возможность на самой ранней стадии разработки выявить наиболее ненадежные элементы систем, разрабатываются мероприятия по обеспечению требуемой надежности, выбирается оптимальный (с точки зрения надежности, веса, габаритов и стоимости) вариант устройства.

Рассчитать устройство (элемент, блок, узел, систему) на надежность - значит, определить какой-либо один или несколько количественных показателей.

При расчете надежности определяется: вероятность безотказной работы R(t), Q - вероятность отказа, - интенсивность отказа, Тср. - среднее время безотказной работы, среднее время между последовательными отказами, Тср_в. - среднее время восстановления, Кг -коэффициент готовности.

Выбор того или иного показателя надежности зависит от класса устройства, его состояние, и специфических особенностей использования в эксплуатации.

Большинство показателей надежности связаны между собой определенным соотношением, зависящим от вида потока отказов (закон распределения).

Поэтому, зная один или несколько количественных показателей, можно определить другие.

6.2 Экспоненциальный закон надежности действия устройств и систем автоматики и телемеханики

В период эксплуатации элементов и систем справедлив экспоненциальный закон надежности, при котором параметр потока отказа не изменяется во времени, т.е. w(t)=const и расчеты показателей надежности упрощаются.

Надежность системы определяется количеством входящих в нее элементов и уровнем их надежности.

Для вычисления вероятности безотказности работы устройства необходимо учитывать возможность отказа его элементов в определенных условиях работы, а также факторы, влияющие на физические процессы, протекающие в элементах и приводящие к отказу, например электрические нагрузки, окружающая среда, вибрации, удары и т.д.

Достоверность расчетов зависит от принятых допущений, полноты учета влияющих факторов, характера отказов (частичного или полного) элементов различных систем, не приводящих к отказу всей системы.

Функциональная связь между элементами, при которых частичный или полный отказ одних элементов вызывает изменения надежности других; условий внешней окружающей среды; наличия приработки отдельных элементов.



6.3 Прикидочный расчет надежности действия устройств автоматики и телемеханики

В зависимости от степени учета этих факторов различают следующие виды расчета надежности.

Прикидочный расчет надежности. Основывается на допущениях, что все элементы системы равноценны, т.е. при расчете принимаем среднее значение величин интенсивности отказов: интенсивность отказов элементов не зависят от времени, т.е. k=const; отказ любого элемента приводит к отказу системы.

Прикидочный расчет может быть использован при проверке требований по надежности, выдвинутых заказчиком в Техническом Задании на проектирование системы; при расчете нормативных данных по надежности отдельных блоков и приборов системы; для определения минимально допустимого уровня надежности элементов проектирования системы; при сравнительной оценке надежности отдельных вариантов системы на этапах эскизного проектирования.

Прикидочный расчет позволяет судить о принципах возможного обеспечения требования надежности системы.

6.4 Ориентировочный расчет надежности действия устройств автоматики и телемеханики

Ориентировочный расчет надежности. Учитывает влияние на надежность системы только количества и типов, применяемых в них элементов, основывается на следующих допущениях:

Все элементы данного типа равноценны; все элементы работают в нормальном режиме, предусматривающих интенсивность отказов всех элементов не зависимо от времени; отказа элементов системы - случайные и независимые события; отказы любого элемента системы приводят к отказу всей системы; все элементы системы работают одновременно.

Для определения надежности системы необходимо знать вид соединения элементов в системе, типы элементов, число элементов каждого типа и величины интенсивных отказов элементов _i входящих в систему.

Расчеты можно свести в таблицу 6.1:

N п/п	Наименование и тип элементов	Обозначение схемы	Количество элементов	Режим работы	Интенс. отказов	Произвед. i • Ni	Прил.
				Коэф-т нагревания	Температура
1	2	3	4	5	6	7	8	9

Ориентировочный метод расчета надежности применяется при эскизном проектировании, после разработки принципиальных электрических схем.

Этот расчет позволяет определить рациональный состав элементов, применяемых в системах и наметить пути повышения надежности системы на стадии эскизного проектирования.

Контрольные вопросы

1. Когда появляется возможность и необходимость выявления наиболее ненадежных элементов систем автоматики и телемеханики?

2. Что означает выражение «Рассчитать устройство на надежность»?

3. Какой закон надежности справедлив в период эксплуатации элементов и систем?

4. Что необходимо учитывать при вычислении вероятности безотказной работы устройства или системы?

5. На чем основывается прикидочный расчет надежности устройств и систем автоматики и телемеханики?

6. Что необходимо учитывать при ориентировочном расчете надежности?

7. Что позволяет определить ориентировочный метод расчета надежности?

Задание на СРО: Письменно привести краткий обзор на тему: «Правила технической эксплуатации железнодорожного транспорта (ПТЭ)».

Список рекомендуемой литературы

1. Сапожников Вл. В. и др. Надежность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебное пособие. Москва: ФГБУ ДПО, 2017. 320 с.

2. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Шаманов В.И. Надежность систем железнодорожной автоматики и телемеханики: Учебное пособие. Москва: Маршрут, 2013. 267 с.

3. Организация и основы технологии работы хозяйства сигнализации и связи Учебное пособие / Ю.Е. Просвиров, Т.В. Щербицкая ; под ред. проф. Ю.Е. Просвирова/ - Самара: СамГУПС, 2007. 99 с.

4. Амиров М.Ш., Амиров С.М. Единая транспортная система: Учебник / - Москва: КНОРУС, 2017. 178 с.

5. Государственная программа развития и интеграции инфраструктуры транспортной системы РК до 2020 года, утвержденная Указом Президента Республики Казахстан от 13 января 2014 года № 725



Лекция №7 Надежность и качественные показатели функционирования устройств автоматики и телемеханики

План лекции:

- показатели ремонтопригодности устройств автоматики и телемеханики;

- примеры решения задач по определению вероятности восстановления работоспособного состояния устройств;

- расчеты показателей времени восстановления действия устройств и системы;

- комплексный показатель надежности - коэффициент готовности устройств и системы

7.1 Показатели ремонтопригодности устройств автоматики и телемеханики

Рассмотрим показатели ремонтопригодности. Время от начала ремонта объекта до его окончания называется временем восстановления t_B и является случайной величиной.

Вероятность восстановления работоспособного состояния S(t) - вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния объекта не превысит заданного времени t:

S(t) = P(t_B < t). (7.1)

Функция S(t) есть функция распределения времени восстановления. Экспериментально величина S(t) определяется по формуле

(7.2)

где N_B - число объектов, восстановленных за время t ;

N_OB - число объектов, поставленных на восстановление.

7.2 Примеры решения задач по определению вероятности восстановления работоспособного состояния устройств

Пример 1. На восстановление было поставлено 1000 реле. Они ремонтировались параллельно во времени. За три часа было отремонтировано 920 реле. Определить вероятность S(t) при t = 3 часа.

Имеем: N_OB = 1000, N_B = 920. Поэтому

Таким образом, вероятность того, что реле будет отремонтировано за 3 ч, равна 0.92.

Функция S(t) с вероятностной точки зрения идентична функции Q(t) и имеет те же свойства.

Аналогично вводятся показатели: частота восстановления б_B(t) как плотность распределения времени восстановления и интенсивность восстановления м(t) как условная плотность вероятности восстановления при условии, что до момента времени восстановления объекта не произошло.

По аналогии с формулами

и

(7.3)

Их статистические оценки:

(7.4)

где n_B(?t) - число объектов, восстановленных в интервале времени

N_HB.CP - среднее число объектов, которые были неработоспособны в интервале времени

где N_HB1 (N_HB2) - число неисправных объектов в моменты времени

7.3 Расчеты показателей времени восстановления действия устройств и системы

...