Отказы и сбои в работе систем сигнализации

Завышение напряжения питания светофорных ламп на 10% от номинального сокращает срок службы лампы примерно на 70%, в то время как снижение напряжения на 5% от номинального увеличивает срок службы в два раза [29]. Следовательно, правильная регулировка или стабилизация напряжения питания светофорных ламп заметно повышает их надежность.

6. Безотказность аппаратуры

Аппаратура в системах ЖАТ первой группы надежности, выполняющая ответственные функции, должна обладать требуемым уровнем защищенности от опасных отказов.

В качестве элементной базы для ответственных цепей отечественных релейных систем ЭЦ, АБ и переездной автоматики используются электромагнитные реле первого класса надежности, у которых с помощью специальных конструктивных мер достигается повышенная надежность относительно опасных отказов и обеспечивается несимметричность отказов.

Параметр потока защитных отказов для нейтральных реле первого класса (НМШ) находится в пределах (0,018-0,17) 10^-6 ч^-1 [11], а параметр потока опасных отказов для них должен быть меньше 10^-8-10^-9 ч^-1. В табл. 3.7 приведены параметры потока защитных отказов электромагнитных реле первого класса надежности и параметры потока отказов некоторых кодовых реле.

Таблица 3.7Параметры потока отказов электромагнитных реле

Тип реле	10-6 ч-1	Тип реле	10-6 ч-1
АНШ2-1600 АНШМ2-380 АНМШТ-380 АНВШ2-2400 НМШ1-1800 ИМШ1-0,3 КМШ-3000	0,06 0,04 0,26 0,26 0,004 0,3 0,02	ПМПШ-150/150 ОМШ2-40 НШ1-800 ТШ1-2000 КДРШ1 КДРШ3-М УКДР1В-1	0,531 0,02 0,017 1,507 0,05 0,066 0,09

До обеспечения высокой защищенности от опасных отказов электромагнитные реле первого класса должны отвечать следующим требованиям:

при отключении тока в обмотке реле возврат якоря должен происходить под действием собственного веса;

должна гарантироваться несвариваемость общего и фронтового контактов;

все контакты при срабатывании реле должны переключаться принудительно и одновременно;

должна исключаться возможность магнитного удерживания («залипания») якоря у сердечника при выключении тока в обмотке;

должна исключаться установка реле в перевернутом положении;

должна исключаться возможность установки в штепсельную розетку реле другого типа и реле с другими параметрами;

реле должно размещаться в защитном кожухе;

должны нормироваться значения и сроки неизменности ряда параметров (коэффициента возврата, контактного давления, переходного сопротивления контактов, межконтактного расстояния).

За время эксплуатации реле типов НМ и НМШ были случаи их опасных отказов в результате механического «заклинивания» якоря в притянутом положении.

Разработанные в 80-х годах реле типа РЭЛ отвечают всем требованиям к реле первого класса. Новая конструкция крепления груза к якорю повышает виброустойчивость реле, их объем меньше в 2 раза, а масса - в 1,5 раза по сравнению с реле типа НМШ. Поэтому реле РЭЛ стали элементной базой релейных систем ЭЦ и АБ, разработанных после появления этих реле.

Наиболее характерные отказы электромагнитных нейтральных реле и их причины приведены в табл. 3.8 [29].

Основное количество отказов электромагнитных реле приходится на контактную систему. Контакты реле первого класса должны выдерживать не менее 10⁷ замыканий без токовой нагрузки и не менее 1,510⁶ замыканий при токе 2 А и напряжении 24 В постоянного тока или при токе 0,5 А и напряжении 220 В переменного тока.

Переходное сопротивление контактов должно быть у фронтовых контактов не более 0,3 Ом при контактном нажатии не менее 0,294 Н, и у тыловых контактов не более 0,03 Ом при нажатии не менее 0,147 Н. Зависит это сопротивление, кроме контактного нажатия, от состояния контактных поверхностей. В процессе работы реле контактное нажатие снижается из-за уменьшения совместного хода контактов, а поверхность контактов окисляется, эрозирует, засоряется продуктами износа контактов и пылью. Увеличение переходного сопротивления контактов на 10-15% обычно не сказывается на устойчивости работы схем железнодорожной автоматики.

Таблица 3.8Характерные отказы нейтральных электромагнитных реле

Отказы	Причины или виды отказов	Число отказов, %
Обрыв цепи на контактах реле	Неправильная регулировка Смещение якоря Инородные частицы под якорем Загрязнение или эрозия контактов (окисление, грязь, пыль, флюс, растворители, лак) Деформация контактных пружин, сваривание и оплавление контактов	26,8 5,5 4,0 16,6 17,6
Перемежающийся обрыв цепи на контактах реле	Вибрация Нестабильное переходное сопротивление контактов	2,6 12,0
Отказы изоляции в контактной системе	Пробой изоляции: между контактами между контактами и обмоткой или корпусом Ухудшение сопротивления изоляции	0,1 1,7 0,8
Отказы обмоток	Пробой изоляции обмотки на корпус Обрыв обмотки (подсечка, некачественная пайка, коррозия, прожог) Полное или межвитковое короткое замыкание	1,5 5,2 5,6

Усложнение конструкции реле - добавление выпрямительных диодов (реле типов НМВШ), термических элементов (реле типа НМШТ) и т.п., ухудшает их безотказность (табл. 3.7). Относительно большой параметр потока отказов реле типов ИМШ, ИМВШ определяется импульсным характером их работы, а стрелочных пусковых реле ПМПШ, СКПШ, НМПШ - тяжелыми токовыми режимами работы.

В зимнее время переходное сопротивление контактов электромагнитных реле в напольных релейных шкафах растет из-за образования ледяной корки на контактах. Эффективным средством борьбы с обмерзанием является внутренний обогрев релейных шкафов, оборудованных естественной вентиляцией. У кодовых реле железнодорожной автоматики, на которых строятся вспомогательные цепи управления, не связанные с безопасностью движения поездов, параметр потока отказов имеет такой же порядок, что и параметр потока защитных отказов реле первого класса надежности (табл. 3.7). Однако показатели надежности кодовых реле симметричны для отказов типа короткое замыкание или обрыв, что не позволяет обеспечить требуемый уровень безопасности аппаратуры на таких реле.

Блочное построение функциональных узлов СЖАТ позволяет ускорить проектирование, сократить сроки монтажных работ, повысить ремонтопригодность систем. Усредненные параметры потока отказов некоторых релейных блоков ЭЦ приведены в табл. 3.9 [11]. Уровень безотказности блока определяется применяемыми в нем реле и режимами их работы.

Таблица 3.9Параметры отказов блоков ЭЦ

Тип блока	10-6 ч-1	Тип блока	10-6 ч-1
НМ1 НСС НН М1	0,11 0,05 0,23 0,15	В1 СП-69 ВД-62 ПС-220М	0,08 0,06 0,09 0,4

Параметры потока отказов некоторых типов блоков аппаратуры кодовой автоблокировки и автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН) сгруппированы в табл. 3.10.

Таблица 3.10 Параметры потока отказов аппаратуры кодовой АБ и АЛСН

Наименование прибора	10-6 ч-1
Дешифраторная ячейка типа ДЯ-ЗБ Блок счетчиков типа БС-ДА Блок реле исключений типа БИ-ДА Дешифратор типа ДКСВ-1 Усилитель типа УК-25/50М Трансмиттер типа КПТШ-5 КПТШ-515	0,85 0,55 0,33 2,12 16,64 0,31 0,34

В дешифраторных ячейках до 60% отказов приходится на электролитические конденсаторы и до 17% - на диоды. В блоке счетчиков отказы происходят, главным образом, вследствие выхода из поля допуска механических и временных характеристик кодовых реле-счетчиков.

Стабильность временных характеристик цепей дешифрации определяется, прежде всего, стабильностью емкости электролитических конденсаторов, зависящей от температуры. Емкость эта снижается при уменьшении температуры. Подогрев внутри дешифраторной ячейки позволяет парировать действие этого возмущения. С ростом температуры до +60⁰С емкость электролитического конденсатора растет на 12-18%, и при этом ускоряются процессы старения (высыхание электролита). С повышением температуры на каждые 10⁰С от допустимой срок службы конденсаторов падает примерно вдвое.

Ток утечки электролитических конденсаторов сильно зависит от времени их хранения. Перед установкой в эксплуатацию они должны быть подвергнуты формовке постоянным номинальным напряжением, указанным на корпусе конденсатора. Подача обратного напряжения на такие конденсаторы приводит к необратимой потере емкости. Поэтому полярные конденсаторы, подвергшиеся действию обратного напряжения, не должны устанавливаться в аппаратуру.

Трансмиттеры типа КПТШ являются достаточно сложными электромеханическими изделиями, что определяет их относительно невысокую безотказность. Надежность локомотивной аппаратуры АЛСН лимитируется, прежде всего, тяжелыми условиями ее работы.

Для установки штепсельных и нештепсельных постовых приборов, блоков ЭЦ, ГАЦ и монтажа схем ЖАТ используются релейные шкафы и стативы. Численные значения параметров потока отказов для них приведены в табл. 3.11.

Таблица 3.11Параметры потока отказов релейных шкафов и стативов

Наименование изделия	10-6 ч-1
Шкаф релейный металлический типа ШМ-1 ШМ-2 ШМ-3 ШРШ-4 ШРШ-6 Шкаф релейный унифицированный типа ШРУ Статив кодовых реле закрытый типа СЗР-67/1-5 Статив для штепсельных реле закрытый типа СШРЗ-64/144 Статив релейный открытый унифицированный типа СОУ-66 Статив закрытый унифицированный типа СЗУ-66 Статив релейных блоков унифицированный типа СРБУ-67 Статив релейный типа СКРМ-75	0,1 1,56 0,91 0,27 0,77 0,16 0,25 1,04 0,34 0,54 0,32 3,07

Использование штепсельных разъемов позволяет быстро и легко устанавливать и заменять реле или блоки. Однако обрыв цепи в штепсельных разъемах вследствие коррозии гнезд, губок, штырей и ножей - наиболее характерные отказы в релейных шкафах и стативах. Причинами этих отказов являются вибрация, некачественное обслуживание, вредное влияние окружающей среды (особенно влажности). Интенсивность отказов штепсельных розеток реле 0,2810^-6 ч^-1 и блоков 0,7710^-6 ч^-1; монтажных проводов стативов 2,510^-6 ч^-1; крепежных гаек 0,2710^-6 ч^-1 [26].

Обрывы проводов монтажа происходят обычно в местах некачественной пайки, когда в месте соединения образуются раковины, трещины, сквозные прожоги, наплывы, шлаковые включения, острые выступы [16]. Соединения с такими дефектами должны паяться повторно после удаления старого припоя, а затем закрашиваться цапонлаком. В заводских условиях паяные соединения должны проверяться на разрыв, вибропрочность, антикоррозийную стойкость, выносливость при кручении и изгибе.

Физический износ штепсельных розеток штепсельных реле и блоков, а также колодок подключения кабелей по мере их старения может приводить к появлению следующих повреждений:

- трещины, вздутия пластмассы, прожоги;

- щели между лепестками контактных пружин;

- замятие лепестков контактных пружин;

- следы ржавчины между контактами, снижение сопротивления изоляции между соседними контактами до величины менее 500 мОм для розеток, если к ним подключается напряжение 220 В и выше.

При этом подлежат полной замене штепсельные розетки, к которым подключается напряжение 220 В и выше, если хотя бы одна из них не соответствует последнему пункту из рассмотренных.

На участках с электротягой постоянного тока приходится следить за влиянием электрокоррозии, и на всех участках - за влиянием атмосферной и почвенной агрессивных сред при их наличии на железобетонные стойки релейных и батарейных шкафов.

Таблица 3.12Параметры потока отказов аппаратов управления и контроля

Наименование изделия	10-6 ч-1
Табло частотного диспетчерского контроля типа ТЧДК Пульт-манипулятор ЭЦ типа ПМ-ЭЦ Выносное табло ЭЦ типа ТВ-ЭЦ Пульт наклонный Пульты унифицированные типов УП-1 и УП-2 Колонка маневровая Пульт-статив релейной полуавтоматической блокировки типа ПСРБ-2 Пульт-манипулятор типа ПМДЦ-64 Табло выносное ДЦ типа ТВ-ДЦ	1,48 4,67 2,6 9,34 2,12 0,27 2,75 3,52 6,55

На аппараты управления и контроля приходится относительно немного отказов (табл. 3.3). Параметры потока их отказов приведены в табл. 3.12. Отказывают в этих аппаратах кнопки и коммутаторы с интенсивностью отказов до 2,410^-6 ч^-1, контрольные лампы и ламподержатели с интенсивностями отказов соответственно 0,0410^-6 ч^-1 и 0,01210^-6 ч^-1, монтаж [26]. Расчетная интенсивность отказов одного паяного соединения имеет порядок 0,00110^-6 ч^-1. Повышение безотказности световых табло обеспечивается заменой в них ламп накаливания светодиодами.

7. Безотказность кабельных и воздушных линий

Кабельные линии относятся к группе наименее надежных устройств ЖАТ (табл.3.3). Параметр потока отказов кабеля в расчете на 1 км независимо от числа жил находится в среднем в пределах (1-1,6) 10^-6 ч^-1 при интенсивности отказов изоляции кабеля порядка 0,1510^-6 ч^-1 и жил кабеля 0,0810^-6 ч^-1. На повреждения кабеля приходится 48% отказов, на понижение изоляции - 24,7%, на обрывы жил - 16,8%, на сообщения жил - 8% и на прочие причины - 2,5% [26, 29].

Повреждения кабеля происходят:

- из-за стихийных бедствий, попадания тяговых токов и грозовых разрядов,

- от механических воздействий и влияний окружающей среды,

- из-за нарушений правил производства земляных работ и др.

Обрывы кабеля и отдельных жил происходят относительно часто по вине работников службы СЦБ, других служб и организаций, завода-изготовителя, злоумышленников:

- при земляных работах, проводимых в районе кабельных трасс ра- ботниками дистанций сигнализации и связи или другими организациями, в том числе в присутствии электромеханика, не знающего кабельную трассу;

- из-за укладки кабеля на глубину меньше нормативной;

- из-за коррозии кабеля, длительное время пролежавшего перед разделкой во влажной среде;

- вследствие несоответствия кабельной трассы кабельному плану;

- когда работы проводятся без согласования с дистанцией сигнализации и связи.

При транспортировке кабель подвергается ударам и вибрациям, а при прокладке и монтаже кабель изгибается сначала в кабелеукладчике, а потом при выкладке концов кабеля в форме котлована. Изменения скорости движения и вынужденные остановки кабелеукладчика приводят к появлению усилий, растягивающих кабель. Механические воздействия на кабель оказывают также просадки грунта, вибрации на участках с трассой кабеля под дорогами с интенсивным движением или вдоль них. В результате повреждается кабельная оболочка, что способствует ухудшению электрических характеристик кабеля.

Из климатических воздействий наиболее вредны для кабельных линий изменения температуры и влажность. С изменением температуры меняется сопротивление жил кабеля. При понижении температуры ухудшаются ударная вязкость и прочность на растяжение изоляционных материалов; растрескивается или разрывается защитный джутовый покров, пропитанный битумом; повышается относительная влажность внутри кабеля. Влага способствует разрушению защитных оболочек кабеля, так как попавшая даже в мельчайшие трещины вода в зимнее время замерзает и, расширяясь, увеличивает трещины. Влага может проникнуть внутрь кабеля через пластмассовые оболочки вследствие диффузии.

Кабели в свинцовой, пластмассовой и поливинилхлоридной оболочках повреждаются грызунами, а верхние джутовые покровы бронированных кабелей могут разрушаться плесенью. Грозовые разряды, установки сильного тока и мощные радиостанции оказывают в ряде случаев также мешающие влияния.

По мере старения кабеля у поливинилхлоридных оболочек снижаются морозостойкость и изоляционные свойства. Процесс старения ускоряется под влиянием химических сред, высоких температур и напряженности электрического поля, механических воздействий.

Условия производства работ в пределах охранных зон и просек на трассах линий связи и радиофикации, а также на трассах кабелей железнодорожного транспорта определены соответствующей нормативно-технической документацией. Нарушения этих требований достаточно часто становятся причиной повреждений (обычно разрывов) кабелей.

К наиболее опасным отказам кабельных и воздушных линий ЖАТ относятся сообщение или заземление различных жил и проводов, следствием чего могут быть ложный контроль свободности рельсовой цепи, ложное появление разрешающего сигнала, перевод стрелки под составом и пр. Для исключения этого жилы и провода должны быть надежно изолированы друг от друга и от земли.

Короткие замыкания жил кабеля происходят обычно из-за повреждений кабеля при путевых работах или посторонними лицами, при сжигании травы в районе кабельных трасс.

Сопротивление изоляции кабеля в процессе эксплуатации понижается вследствие некачественной разделки наружных или подземных муфт, попадания воды в наружные муфты, повреждения оболочки кабеля, плохой герметизации групповых муфт, некачественного изготовления на заводе.

Нижний допустимый предел сопротивления изоляции монтажа составляет 1 кОм на 1В рабочего напряжения, т.е. не допускается ток утечки более 1мА. Эта норма выбиралась по характеристикам реле типа НР-1-1000, имеющего ток отпускания якоря 2,5 мА. Однако в СЖАТ применяются и более чувствительные реле. В настоящее время в качестве нормы электрической изоляции для кабелей СЦБ при отключенном монтаже принята величина нем менее 15 мОм на 1 км длины.

Электрическое сопротивление постоянному току жилы кабеля при ее диаметре, равном 1 мм, должно быть не более 23,3 Ом/км, а при диаметре жилы 0,8 мм - не более 36,6 Ом/км.

Для реле и других элементов ЖАТ, включаемых через кабельные или воздушные линейные цепи, предусматривается двухполюсное отключение. Опасным в таких цепях является пробой изоляции на землю или ухудшение изоляции как минимум в двух местах. Однако гарантированное предотвращение появления опасных обходных путей для сигнального тока требует немедленного устранения первого ухудшения изоляции жил или проводов линейных цепей.Закачка в сердечник кабеля жидкого гидрофобного заполнителя позволяет практически исключить отказы, вызванные понижением сопротивления изоляции кабеля.

Кабели разделываются в кабельных муфтах, стойках и ящиках, усредненные параметры отказов которых приведены в табл. 3.13.

Таблица 3.13Параметры потока отказов оборудования кабельных сетей

Наименование объектов	10-6 ч-1
Муфта кабельная разветвительная: на четыре направления типа РМ-4-28 на семь направлений типа РМ-7-49 на восемь направлений типа РМ-8-112 Муфта кабельная универсальная: на одно направление типа УКМ-12 на два направления типа УПМ-24 Муфта соединительная типа С-35-М Муфта тройниковая типа Т-35-М Стойка кабельная концевая Стойка кабельная проходная Ящик кабельный типа КЯ-10 Ящик трансформаторный типа ТЯ11	0,53 0,12 0,14 0,08 0,03 0,009 0,04 0,17 0,13 0,05 0,08

На воздушные линии приходится относительно небольшое количество отказов СЖАТ (табл. 3.3), однако это определяется их небольшой протяженностью в данных системах. Безотказность воздушных линий примерно в два раза ниже, чем кабельных (табл. 3.2), что объясняется их большей подверженностью вредным климатическим и электрическим воздействиям, меньшей защищенностью от различных механических воздействий.

Наиболее характерными отказами в воздушных линиях ЖАТ являются обрыв проводов (до 60%), закорачивание проводов при их сплетении или набросах токопроводящих предметов (до 25%), снижение сопротивления изоляции на «землю» (до 5%) и между проводами (до 10%).

8. Безотказность устройств электроснабжения

К устройствам электроснабжения в табл. 3.3 можно отнести трансформаторы, преобразователи, выпрямители, аккумуляторы, первичные элементы и щитовые электропитающие установки, на которые приходится до 12% отказов устройств АБ и до 8% отказов ЭЦ. При этом параметр потока отказов источников питания ЭЦ может меняться на разных участках от 3,5 до 3810^-6 ч^-1 [16].

Параметры потока отказов некоторых устройств электропитания по данным технологического отдела ЦСС МПС, усредненные по сети железных дорог, приведены в табл. 3.14.

Наибольшее количество отказов в устройствах электропитания приходится на трансформаторы, выпрямительные элементы, пакетные переключатели, кнопки и другие коммутационные элементы.

Аккумуляторы АБН-72 в устройствах ЖАТ работают, в основном, в буферном режиме. Изменения напряжения сети переменного тока в таком режиме меняют ток подзаряда аккумуляторов, в результате они оказываются либо перезаряженными, отчего начинается разрушение их пластин; либо незаряженными, когда пластины сульфатируются. Износ пластин, ускоряемый систематическим перезарядом аккумулятора током большой величины, приводит к выкрашиванию и оползанию активной массы, к коррозии решеток. В результате резко снижается емкость аккумулятора, и растет вероятность внутренних коротких замыканий шламом на дне банки.

Таблица 3.14Параметры потока отказов устройств электропитания

Наименование объектов	10-6 ч-1
Щит выключения питания типа ЩВП-73 Панель вводная типа ПВ-60 ПВ-ЭЦ Панель релейная типа ПРБ ПРББ Панель распределительно-преобразовательная типа ПРП-ЭЦ Панель выпрямителей типа ПВ-24 ПВ-24/220Б ПВ-24/220ББ Статив системы питания ЭЦ малых станций типа СПМС-ББ-50 Блок питания типа БПС-1 БПСН БПШ Преобразователь полупроводниковый типа ППС-1,7 Преобразователь полупроводниковый штепсельный типа ППШ-3 Преобразователь-выпрямитель типа ППВ-1 Устройство фазирующее типа ФУ-1 Преобразователь частоты типа ПЧ-50/25 Выпрямитель буферный типа БВ-24/2,5 Регулятор тока автоматический типа РТА Устройство выпрямительное типа ВУ-14/1,5 ВУС-1,3 Устройство зарядно-буферное типа ЗБУ-12/10 Аккумулятор типа АБН-72 С	4,97 2,62 2,16 0,97 0,88 0,33 1,15 2,2 1,69 0,27 1,01 0,06 0,38 1,92 1,27 2,47 2,37 0,03 1,72 0,82 0,24 0,17 4,0 0,08 0,006

Разряд аккумулятора большим током может приводить к короблению пластин и внутренним коротким замыканиям. Глубокие разряды батареи, длительное хранение ее в разряженном состоянии, эксплуатация с пониженным уровнем или высокой плотностью электролита, вредные примеси в электролите, систематические недозаряды вызывают сульфатацию пластин. Сульфатизированный аккумулятор заряжается до напряжения 3В и выше, а емкость его резко снижается.

Надежность аккумуляторов сильно зависит от качества их технического обслуживания. Безотказность и срок службы аккумуляторов растут при использовании автоматических регуляторов тока типа РТА с батареями на 6 или 7 кислотных аккумуляторов.

Таблица 3.15Показатели безотказности трансформаторов и реакторов (данные ЦСС МПС)

Тип изделия	10-6 ч-1	Тип изделия	10-6 ч-1
ПОБС-1 - ПОБС-3А ПОБС-75 СОБС-1 - СОБС-3 ПТ-25, ПТ-25А ПРТ-25, ПРТ-25А СКТ-1 СТ-1 СТ-2	0,057 0,23 0,049 0,071 0,191 0,221 0,501 0,288	СТ-2А СТ-3 СТ-3А РТЭ-1 РТ-3 ПТВ РОБС-1 РОБС-3	0,092 0,059 0,24 0,118 0,016 0,696 0,069 0,042

Надежность трансформаторов, реакторов и дросселей (табл. 3.15) зависит от режима и условий работы: плотности тока в обмотках и напряжения на них, влажности и температуры окружающей среды. Повышение напряжения на обмотке до 20% от номинального уже заметно повышает вероятность пробоя изоляции. Превышение номинального значения тока вызывает перегрев трансформатора, отчего уменьшается прочность изоляции, повышается вероятность обрывов или коротких замыканий обмоток, деформаций или разрушения корпуса.

Снижение рабочей частоты ниже допустимого предела приводит к увеличению тока вследствие снижения реактивного сопротивления обмоток, а увеличение рабочей частоты сопровождается ростом потерь в сердечнике.

Влага может проникать через заливочный материал, впитываться через выводы обмоток и по оплетке проводов. Кроме того, при значительных перепадах температур большинство органических изоляционных материалов растрескивается и отходит от подложки. В результате создаются зазоры, в которые проникает влага, вызывающая разрушение изоляции. Последний фактор следует учитывать прежде всего для трансформаторов, устанавливаемых в релейных шкафах и путевых коробках.

Параметры потока отказов выпрямителей, используемых в СЖАТ, приведены в табл. 3.16 (данные ЦСС МПС).

Таблица 3.16Параметры потока отказов выпрямителей

Тип выпрямителя	10-6 ч-1	Тип выпрямителя	10-6 ч-1
ВАК-11 ВАК-11А ВАК-11М ВАК-13 ВАК-13А ВАК-13Б ВАК-13М	0,263 0,503 0,554 0,344 0,819 3,297 0,406	ВАК-14 ВАК-14А ВАК-14Б ВАК-14М ВАК-16 ВАК-16А ВАК-16Б	0,28 1,354 0,638 0,292 0,25 1,816 1,902

Интенсивность отказов выпрямительных диодов зависит от нормированной температуры и коэффициента нагрузки, причем нарастание температуры до определенного предела не вызывает увеличения интенсивности отказов. С возрастанием коэффициента нагрузки этот предел сдвигается в область более низких температур.

Для обеспечения надежности выпрямителей, как и других полупроводниковых приборов, не следует превышать установленные пределы по электрическим режимам, а также необходимо создавать нормальный тепловой режим и защищать выпрямители от воздействия влаги.

9. Безотказность элементов защиты

Элементы защиты, если их упорядочить по убыванию относительного количества отказов, идут в таблице 3.3 четвертым пунктом для систем ЭЦ и седьмым пунктом для систем АБ, если устройства в этой таблице расположить по степени убывания количества отказов. В системах ЖАТ в качестве элементов защиты от перегрузок по току и по напряжению аппаратуры, монтажа, кабельных и воздушных линий используются предохранители, выравниватели, низковольтные разрядники, автоматические выключатели, сигнализаторы. Показатели их безотказности по данным ЦСС МПС приведены в табл. 3.17.

В системах ЖАТ используется достаточно большое число предохранителей. Например, в ЭЦ на одну централизованную стрелку приходится в среднем 5-6 предохранителей. Напряжение отключается предохранителем от каких-то участков схем или устройств или при превышении током питания допустимой величины, или вследствие отказа предохранителя. Наиболее характерные отказы предохранителей - обрыв цепи в штепсельных разъемах или в самом предохранителе вследствие некачественных пайки или регулировки, ослабления крепления, окисления, дефектов материала, вызвавших износ или разрушение деталей предохранителя. Причиной ложного перегорания предохранителя достаточно часто является несоответствие его номинала требуемому значению.

Таблица 3.17 Параметры потока отказов элементов защиты

Наименование изделия	10-6 ч-1
Выключатель тока низковольтный автоматический многократного действия типа АВМ-1 Выравниватель керамический типа ВК-10 Выравниватель оксидноцинковый типа ВОЦШ-220 ВОЦШ-110 Разрядник вентильный низковольтный типа РВНШ-250 РВН-500 РВН-250 Р-350 Варистор типа СН-2-2А Сигнализатор заземления типа СЗ1 Предохранитель банановый: на цоколе типа 20872 на цоколе с контролем перегорания типа 20876 на клемме типа 20871	0,08 0,16 0,57 0,07 0,16 0,01 0,71 0,033 0,002 1,06 0,09 0,07 0,06

Большое количество предохранителей, трудность в ряде случаев диагностирования отказов и ненадежное срабатывание сигнализации, контролирующей перегорание предохранителей, вызывают необходимость дополнения действующих систем средствами контроля или резервирования предохранителей. Например, в цепях питания постоянного и переменного тока напряжением 24 В параллельно предохранителям до 5А подключают лампы типа ПЖ-23-50-500, выпускаемые для лобовых прожекторов тепловозов. В результате отказ с разрывом цепи питания или перегорание предохранителя при самоустраняющихся коротких замыканиях (например, обслуживающим персоналом) не вызывает отключение питания от контролируемой схемы, так как ток продолжает поступать через лампу ПЖ. Устойчивое короткое замыкание в схеме приводит к загоранию лампы ПЖ, ограничивающей ток в цепи и сигнализирующей о месте отказа.

Для индикации перегоревшего или отказавшего предохранителя применяют также светодиоды или неоновые лампы с ограничивающими ток в контрольной цепи резисторами, включаемые параллельно контролируемому предохранителю и загорающиеся при обрыве цепи предохранителя [29].

Отказы разрядников РВНШ-250 могут происходить из-за потери контакта в штепсельных разъемах бананового типа, вследствие эрозии или выгорания зубцов фигурного электрода при прожоге вентильного диска.

Сопротивление выравнивателей резко падает с ростом приложенного напряжения. Включаются они параллельно защищаемому прибору и практически безынерционно шунтируют прибор при возникновении от действия внешних источников опасных перенапряжений, например, от грозовых разрядов. Тело выравнивателя разогревается протекающими через него токами, и если токи превышают допустимые значения, может произойти перекрытие по боковой поверхности или прожог выравнивателя.

10. Ремонтопригодность устройств и систем

Системы ЖАТ являются высоконадежными территориально рассредоточенными системами, что в значительной степени влияет на их ремонтопригодность. Высокая надежность аппаратуры предопределяет редкую повторяемость однотипных отказов, особенно в пределах участка, обслуживаемого одним производственным коллективом обслуживающего персонала. Эта же особенность СЖАТ требует высокой квалификации обслуживающего персонала и необходимости облегчения процесса поиска места отказа за счет снабжения систем встроенными или переносными техническими средствами контроля и измерения определяющих параметров. Территориальная рассредоточенность обусловливает значительный разброс длительности времени восстановления в зависимости от того, какой путь необходимо преодолеть до места отказа и какими транспортными средствами при этом может воспользоваться обслуживающий персонал.

Для математического описания функций плотности распределения вероятности случайной величины времени поиска отказа и времени его устранения можно использовать экспоненциальное [18] или гамма-распределение [3]. Выборочные средние значения времени поиска отказа и времени устранения по данным исследований [3, 20, 26] приведены в табл. 3.18.

Фактическое время поиска и устранения отказа может в 2-3 раза превышать средние величины табл. 3.18. Среднее время восстановления даже на одном участке железной дороги в течение года может меняться 3-5 раз в системах АБ и в 1,5-3 раза в системах ЭЦ при диапазоне изменения соответственно 0,75-4,5 ч и 0,6-4,2 ч.

Затраты на устранение отказа СЖАТ прямо пропорциональны времени восстановления, а ущерб в поездной работе от дополнительных задержек и остановок поездов, вызванных этими отказами, на грузонапряженных участках железных дорог растет быстрее, чем увеличивается время восстановления [26]. Заметно уменьшить время восстановления позволяют системы диагностического или прогнозирующего контроля состояния устройств [3].

Таблица 3.18Среднее время поиска и устранения отказов

Система или устройство	Среднее время, мин.
	поиска	устранения
Кодовая автоблокировка 50 Гц Импульсно-проводная автоблокировка Полуавтоматическая блокировка Автоматическая переездная сигнализация Электрическая централизация Рельсовая цепь секции в горловине Рельсовая цепь приемо-отправочного пути Мотор стрелочного электропривода Автопереключатель электропривода Аппаратура на мачте светофора	23 10 28 23 28 30 20 15 15 5	20 21 24 15 23 30 20 30 10 5

11. Долговечность устройств и систем

При анализе долговечности устройств и систем ЖАТ под предельным понимают такое их состояние, при котором дальнейшая эксплуатация системы или элемента недопустима по условиям безопасности их функционирования либо нецелесообразна по экономическим критериям.

Если предусматривается капитальный ремонт изделия, то говорят о промежуточном предельном состоянии в отличие от «окончательного» при замене или списании изделия.

Для отдельных элементов и блоков СЖАТ критериями предельного состояния можно считать:

- недопустимое увеличение вероятности опасного отказа,

- отказ, ухудшение функциональных свойств,

- вредное влияние не потерявшего работоспособности элемента или блока на сопряженные или смежные с ним,

- достижение предела по моральному старению второй формы.

Для отдельного устройства предельное состояние считается достигнутым при:

- нарушении его работоспособности, которое не может быть устранено текущим ремонтом и вызывает необходимость капитального ремонта или списания;

- снижении эффективности эксплуатации устройства, например, из-за чрезмерного увеличения трудовых и материальных затрат на ТО и ремонты,

- роста ущерба в поездной работе из-за этого устройства и т.п.;

- приближении каких-либо параметров устройства к границе допуска по опасным отказам;

- наступлении предела морального старения второй формы.

Предельным состоянием системы ЖАТ можно считать:

- снижение эффективности ее эксплуатации до недопустимой, определенной по каким-либо технико-экономическим критериям или условиям безопасности функционирования;

- достижение предельного состояния большей частью входящих в нее устройств.

Состав систем ЖАТ как сложных средств труда в процессе эксплуатации существенно меняется в результате ремонтов и замен. Новые или капитально отремонтированные составные части эксплуатируемой системы имеют больший запас работоспособности, и при длительной эксплуатации заменяется все большее число первоначально установленных устройств. В результате понятие «ресурс» для системы весьма отличается от этого понятия для отдельного изделия (элемента), входящего в систему.

Физический смысл понятия «ресурс» - запас работоспособности изделия, расходуемый в процессе его использования, а иногда и хранения. В каждый момент времени можно различать две части любого ресурса: израсходованную к этому времени и оставшуюся до перехода элемента в предельное состояние. Вторая часть ресурса называется остаточным ресурсом. Все виды ресурса являются случайными величинами.

Ресурс тесно связан со сроком службы, определяемым как календарная продолжительность эксплуатации объекта до его перехода в предельное состояние. Системы ЖАТ должны работать непрерывно, а аварийные перерывы в их работе, когда система полностью не работает, весьма редки и очень непродолжительны по сравнению со сроком службы. Поэтому для СЖАТ понятия ресурс и срок службы практически не различимы.

Показатели срока службы систем подразделяются на нормативные, амортизационные и фактические. Нормативные сроки службы должны устанавливаться на основе оптимизационных расчетов и утверждаться соответствующими органами. На основе этих показателей должны планироваться парк систем определенного вида; объемы производства оборудования, поставок и строительно-монтажных работ; объемы производства запасных частей и материалов; вид и состав ремонтно-обслуживающей системы и т.п.

Амортизационные сроки, не превышающие для большинства рассматриваемых систем 20 лет, определяют норму ежегодных амортизационных отчислений на реновацию от балансовой стоимости системы. Как правило, амортизационные сроки совпадают с нормативными, хотя возможно их сокращение под влиянием фактора морального износа. Фактические или среднестатистические сроки службы во многом зависят от исходного качества систем, условий их эксплуатации, влияющих на темпы физического износа; качества ТО и ремонтов, темпов научно-технического прогресса, возможностей предприятия по списанию и замене старой техники новой и т.п.

Показателями внешнего проявления старения устройств могут служить показатели надежности. Особенностью их применения при изучении старения является то, что они должны определяться в различных интервалах наработки или срока службы и сравниваться между собой. Кроме того, показателями старения могут быть трудоемкость или стоимость ТО и ремонтов, номенклатура и стоимость израсходованных запасных частей и материалов.

Основными последствиями старения являются рост интенсивности отказов устройств, увеличение трудовых и денежных затрат на поддержание их работоспособности, рост ущерба в поездной работе, исчерпание ресурса элементов и устройств.

Интегральным показателем степени старения системы интервального регулирования движения поездов (ИРДП) может служить величина дополнительных расходов, потребных на ее содержание для компенсации последствий старения, т.е. затраты на замены физически и морально изношенного оборудования, на модернизацию устройств и их капитальные ремонты.

В табл. 3.19 приведены усредненные значения стоимости устройств в процентах относительно сметной стоимости системы ЭЦ, а также периодичность капитальных ремонтов и сроки службы устройств, найденные по результатам обработки статистики по ряду дорог страны [25]. Напольный кабель меняется по частям, поэтому данные по фактическому сроку его службы не приводятся. Относительные объемы проверки и ремонтов в контрольно-измерительных пунктах (КИП) и ремонтно-технологических участках (РТУ) электромагнитных реле, релейных блоков и аппаратуры ЭЦ с разной периодичностью по статистическим данным этих же дорог приведены в табл. 3.20.

Таблица 3.19Периодичность капитальных ремонтов и сроки службы устройств ЭЦ

Устройства	Относитель-	Периодичность	Срок службы, лет
	ная стоимость в капитальных затратах	капитальных ремонтов, лет	нормативный	среднестатистический
Кабель напольный Реле и аппаратура Релейные стативы Электропитающая установка Стрелочные электроприводы Рельсовые цепи Светофоры Аппарат управления Кабель постовой Релейные шкафы Батарейные шкафы Аккумуляторы	33 21 9 9 9 7 4 2 2 2 1 1	9 - 10 3 4/7 7 7 8 9 7 6 -	30 - 28 25 16 20 35 25 30 23 25 9	- - 35 29 9/15 25 33 27 40 32 33 9

Расходы на компенсацию морального и физического старения устройств проведением их капитальных ремонтов, замен и модернизаций растут нелинейно по мере старения системы. Для ЭЦ эти расходы, вычисленные с нарастающим итогом, начинают заметно расти после десяти лет эксплуатации, становятся равными первоначальным капитальным затратам примерно на двадцатом году службы и за последующие десять лет возрастают вдвое [26].

Таблица 3.20Периодичность проверки и ремонта реле и аппаратуры ЭЦ

Периодичность, лет	Реле, %	Релейные блоки, %	Аппаратура, %
1 3 5 10 15	3,0 9,6 8,6 77,5 1,3	1,1 10,8 28,7 59,4 -	11,1 26,2 18,8 43,2 0,7

Практическое использование понятия «ресурс» для сложных машин и систем встречает определенные трудности. Физическое и моральное старение устройств, входящих в систему ИРДП, происходит с разной скоростью, а капитальные ремонты и замены меняют их ресурс.

В процессе эксплуатации система и ее элементы утрачивают свой ресурс. Обозначим ресурс, утраченный системой на полуинтервале времени при работе в условиях , , где Е - множество условий эксплуатации. Накладываем три ограничения на , считая, что новая система имеет ресурс , равный единице.

1. Условие аддитивности во времени, означающее, что ресурс элементов и системы аддитивно утрачивается в процессе эксплуатации.

2. Условие марковости, означающее, что функция утраты ресурса на полуинтервале времени зависит от выработанного ресурса за время и не зависит от того, в каких условиях выработан этот ресурс.

3. Условие аддитивности по элементам системы, означающее, что ресурс системы в любой момент времени с начала ее нормальной эксплуатации в определенных условиях (без учета периода приработки) можно найти как сумму остаточных ресурсов составляющих ее элементов.

Условия 1 - 3 позволяют получить уравнения расходования ресурса в любом переменном режиме эксплуатации системы , если известны законы утраты и восполнения ресурса в любых условиях эксплуатации или, другими словами, если известно уравнение функции , , . С учетом условия нормировки остаточный ресурс системы в момент времени t можно найти из простого соотношения

.(3.1)

Утрачиваемый в процессе эксплуатации ресурс устройств восполняется проведением плановых профилактических ремонтов, а также предупредительными и восстановительными ремонтами, отчего средняя скорость расходования ресурса замедляется. Капитальные ремонты обеспечивают скачкообразное восполнение ресурса, утраченного вследствие физического износа, а работы по модернизации устройств восполняют частично или полностью ресурс, утраченный вследствие морального износа. Однако и эти работы только отдаляют, а не исключают необходимость замены устройств или системы. Полное восстановление ресурса объекта до обеспечивает только его замена. Скорость расходования ресурса зависит от скорости протекания деградационных процессов и соответствующей скорости изменения параметров устройства, определяющих его долговечность.

Степень обновления элемента или системы в результате выполнения работ по ремонту или модернизации можно оценивать абсолютным значением степени восстановления ресурса . Практически величина зависит от объема работ как по глубине ремонта или модернизации, так и по доли отремонтированных или модернизированных устройств от их общего количества в системе, а также от качества выполнения работ, качества использованных материалов и запасных деталей.

Продолжительность работ по обновлению элементов в СЖАТ (всех видов ремонтов, модернизаций и замен), относительно невелика по сравнению с длительностью их эксплуатации до замены, поэтому обновление можно считать мгновенным.



Рис. 3.1. Эволюция во времени ресурса ЭЦ

Пример графика эволюции во времени ресурса системы ЭЦ , рассчитанный в стоимостной метрике по разработанной методике [26], приведен на рис. 3.1. Остаточный ресурс при системе ТО ремонтов, модернизаций и замен, используемой в процессе эксплуатации ЭЦ, достигал своего минимума в данном случае к двадцати годам эксплуатации. Удовлетворительное качество функционирования ЭЦ обеспечивалось при ее остаточном ресурсе в пределах 0,4-0,5, но после двадцати лет эксплуатации годовые эксплуатационные расходы увеличивались в 1,5-1,7 раз по сравнению с первыми десятью годами службы системы.

Прогнозирование индивидуального остаточного ресурса эксплуатируемой СЖАТ включает целый комплекс задач: оценку текущего технического состояния системы, прогнозирование развития этого состояния на ближайшее будущее и выдачу на основании этого прогноза рекомендаций об остаточном сроке эксплуатации (до списания данного объекта или его очередного ремонта); оценку риска по отношению к опасным аварийным ситуациям и установление предельно допустимых остаточных сроков эксплуатации при наличии возрастающего риска с выдачей рекомендаций о мерах по повышению безопасности. Многофакторность процесса старения технических систем предопределяет то, что коэффициенты вариации их ресурса могут достигать два, три и более десятков процентов, что вызывает необходимость индивидуального подхода к оценке долговечности систем.

Прогнозирование требует дополнительных расходов на сбор и обработку необходимой для проведения расчетов информации, на разработку математических методов и программного обеспечения, позволяющих получать обоснованные выводы на основе собранной информации. Следует отметить, что сейчас практически не налажен четкий учет затрат раздельно по системам и по таким статьям расходов, как аварийные и капитальные ремонты, работы по модернизации.

12. Моделирование надежности систем

Значительное число практических задач надежности не удается решать аналитически без больших погрешностей, поэтому при их решении широко используется вероятностное моделирование на типовых ЭВМ и вероятностное физическое моделирование на специальных установках [4].

Разработка и применение специализированных физических моделей позволяет производить оценку надежности систем определенных классов. При этом снимается целый ряд ограничений, накладываемых аналитическими методами, однако требования к степени формализации процесса функционирования остаются высокими, а натурное воспроизведение процесса нередко сопряжено с огромными материальными затратами.

При использовании универсальных ЭВМ возможно исследование самых разнообразных систем и воспроизведение реальных условий, но подготовительная работа (формализация, составление алгоритмов, программирование) требует значительных затрат времени. При этом функционирование сложной системы расчленяется на ряд элементарных процессов, каждый из которых формализуется (описывается аналитически, задается логическими условиями и т.д.), а затем в заданной последовательности воспроизводится на ЭВМ.

Задачи надежности вполне естественно аппроксимируются случайными процессами, для исследования которых весьма эффективен метод статистического моделирования (Монте-Карло). Метод Монте-Карло является численным методом, в котором используется случайная выборка различных случайных величин. На первом этапе решения задачи моделирования на основе тщательного изучения составляют перечень операций процесса и определяют числовые значения параметров, характеризующих процесс (формализация описания процесса). Затем разрабатывается моделирующий алгоритм, по которому в конечном итоге составляют программу решения на ЭВМ.

Значения показателей параметрической надежности объекта зависят от вида связей между элементами (структуры объекта), от характеристик нестационарных случайных процессов изменения параметров элементов и от допусков на отклонение определяющих параметров объекта. Структура объекта определяет вид зависимости определяющего параметра от параметров элементов:

.(3.2)

Уравнения связи с параметрами элементов могут быть заданы в неявном виде или в виде системы дифференциальных уравнений.

Рабочая область задается с учетом назначения и условий работы системы. Обычно рабочая область неслучайна и не меняется в течение ресурса (срока службы), т.е. рассматриваются постоянные границы рабочей области.

Прогнозирование параметрической надежности затрудняется тем, что изменение определяющих параметров в системах ЖАТ в большинстве случаев, особенно в электронных и микропроцессорных устройствах, происходит довольно медленно - иногда в течение нескольких лет. Расчеты параметрической надежности обычно приближенны, поэтому точность ее прогнозирования стараются повысить за счет статистического или имитационного моделирования.

В ходе вероятностного моделирования на ЭВМ для оценки параметрической надежности объектов воспроизводят нестационарные случайные процессы приближения объектов к отказам. При этом по зависимости (3.2) вычисляют множество реализаций случайного процесса изменения определяющего параметра системы , а по реализациям случайного процесса - изменения параметров элементов. Далее находят распределение наработки объекта до пересечения границы допуска. Следовательно, здесь, как и при расчетах, необходимо знать зависимость (3.2). При ее определении обычно вводятся допущения, которые могут явиться причиной неточностей.

Проверить результаты расчета или моделирования при исследовании надежности систем очень трудно. Для проведения статистического эксперимента нужны сотни систем. Если ведутся наблюдения в условиях эксплуатации или хранения, то придется ждать годы, пока откажет хотя бы большинство систем. За это время системы морально устареют, и практическая значимость сведений о них будет мала. Ускоренные испытания весьма дороги и могут проводиться лишь для изделий, выпускаемых крупными сериями. Кроме того, не всегда удается точно пересчитать результаты ускоренных испытаний на условия эксплуатации.

В значительной степени обойти эти трудности позволяет прогнозирование параметрической надежности с использованием имитации изменений физических параметров элементов на специальных моделирующих установках, имеющих в своем составе имитаторы (макеты) систем [4]. Макет системы представляет собой исследуемую систему, в которой все (или некоторые) элементы, влияющие на определяющий параметр системы, заменяются простейшими моделирующими ячейками. Ячейка, состоящая из генератора линейных случайных процессов и макета элемента, имитирует в течение очень короткого времени медленный случайный процесс изменения определяющего параметра элемента (блока).

Макет элемента (блока) представляет собой тот же элемент, но с регулируемым определяющим параметром. Например, макет резистора - это переменное сопротивление. Следовательно, с помощью моделирующей ячейки воспроизводится полуслучайный процесс изменения параметров элементов при их эксплуатации (в соответствующем масштабе времени).

Имея простейшие моделирующие ячейки для соответствующих элементов системы, можно построить имитатор (макет) системы, установив макеты элементов на их места в схеме системы. В процессе моделирования такой макет системы сравнительно быстро (за несколько десятков секунд) имитирует длительный период эксплуатации.

Для решения задач надежности и технического обслуживания моделированием широко используют методы теории массового обслуживания [4]. При этом появление отказа объекта задается поступлением заявок, распределенных по определенному закону, а время устранения отказа - временем обслуживания заявок. Наиболее общей при этом является следующая постановка задачи надежности.

Имеется одна линия обслуживания, на которую через произвольные моменты времени поступают заявки. Время обслуживания каждой заявки также является случайной величиной с произвольным законом распределения. Заявки обслуживаются в порядке очереди. Считается, что система находится в нулевом состоянии, если она не занята обслуживанием, чему соответствует период безотказной работы. Состояние 1 соответствует обслуживанию заявки при отсутствии очереди, состояние 2 - обслуживанию заявки при наличии одной заявки в очереди, состояние 3 - обслуживанию заявки при наличии двух заявок в очереди и т.д. Задача состоит в определении эмпирических распределений вероятностей нахождения системы в N-м состоянии и времени ожидания выполнения заявки.

Для моделирования задают два массива случайных чисел: время обслуживания i-й заявки и интервал поступления между предыдущей и последующей заявками. По результатам моделирования получаются численные значения суммарного времени пребывания системы в каждом из выделенных состояний и число заявок с определенной длительностью ожидания. По этим данным находятся: вероятности нахождения системы в i-м состоянии; вероятность того, что время ожидания будет равно величине ; средняя длина очереди и среднее время ожидания.

На практике для повышения производительности при решении задач массового обслуживания часто используют специализированные электронные или электромеханические вычислительные устройства.

При статистическом моделировании можно решать более сложные задачи, рассматривая функциональную надежность, когда рабочие состояния системы различают по качеству ее работы. Например, если отказ ЭЦ или МПЦ приводит к невозможности задания поездных или маневровых маршрутов через какую-то секцию в горловине станции, но существуют вариантные маршруты в обход этой секции, то такой отказ при правильных действиях дежурного по станции может совсем не сказаться на поездной работе. При отсутствии возможности задания вариантных маршрутов переход на вспомогательные методы управления движением поездов в определенной степени увеличивает время на установку и разделку маршрутов, снижая пропускную способность всей горловины станции или части горловины. А отказ электропитающей установки может привести к отказу всей системы в целом.

Важность выполнения задачи в j-м состоянии системы можно оценить величиной коэффициента эффективности . Для вычисления коэффициентов эффективности необходимо вычислить весовые коэффициенты по каждой частной функции системы с учетом ее относительной важности и полезности в общем комплексе функций, выполняемых системой. При этом должно соблюдаться условие , где М - общее число функций, выполняемых системой.

...