Надежность устройств автоматики, телемеханики и связи

УСТРОЙСТВА АВТОМАТИКИ, телемеханики и связи (АТС) обеспечивают бесперебойное управление движением поездов, если сохраняют исправное или работоспособное состояние, то есть не имеют отказов. По последствиям для процесса движения поездов отказы систем АТС можно разделить на три вида. В первом случае, наиболее благоприятном, восстановление системы происходит до подхода поезда и график движения не нарушается. Экономические потери при этом определяются затратами на ремонт аппаратуры. Во втором случае происходит задержка поездов и сбой графиков движения, что существенно увеличивает экономический ущерб. Третий, наихудший, случай связан с нарушением безопасности движения и возникновением аварий и крушений, наносящих вред здоровью людей и окружающей среде.

Устройства АТС обеспечивают безопасное управление движением поездов, если они сохраняют работоспособное или защитное состояние, то есть не имеют опасных отказов. Неработоспособное состояние системы АТС является опасным, если выполняются все заданные функции, кроме хотя бы одной, по обеспечению безопасного управления движением поездов.

Разделение отказов на опасные и защитные дает возможность при построении и эксплуатации системы сконцентрировать внимание, прежде всего, на защите от опасных отказов, что в целом способствует повышению уровня надежности и уменьшению объема избыточной аппаратуры. Примерами защитных отказов являются такие, при которых невозможно включение разрешающих показаний поездных и маневровых сигналов, а также управление стрелочными электродвигателями, или возникает ложная занятость стрелочных или путевых участков. Опасные отказы, наоборот, приводят к ложному включению разрешающих показаний светофоров, к ложному переводу стрелок и ложным сигналам незанятости путевых участков.

При прогнозировании надежности устройств АТС используют методы теории вероятностей, математической статистики, теории массового обслуживания, статистического и имитационного моделирования, теории марковских процессов. Особую группу показателей надежности составляют характеристики безопасности — вероятность безопасной работы, интенсивность опасных отказов, средняя наработка до опасного отказа. К 2001 г. эти показатели пока еще не нормированы.

Значения показателей безопасности определяют по формулам, аналогичным формулам для расчета показателей надежности. Например, интенсивность опасных отказов определяется по формуле:

где n(Δt) — число образцов системы, имевших опасный отказ за интервал времени Δt; Ncp(Δt) — среднее число работоспособных образцов системы, не имевших опасных отказов в интервале времени Δt (при условии, что образцы системы, которые имели защитный отказ, немедленно заменялись новыми):

где Ni — число работоспособных образцов системы в момент времени t-0,5Δt; Ni+1 - число работоспособных образцов системы, не имевших опасных отказов к моменту времени t + 0,5Δt.

Так как опасные отказы - редкие события, то эксперименты для определения величины λсп(t) необходимо проводить длительное время, что выполнить на практике не удается. Реально в представленной выше формуле используются результаты наблюдений в процессе длительной эксплуатации системы. Отсюда возникает условие - образцы системы, которые имели защитный отказ в интервале времени Δt, заменяют новыми. Поэтому формула дает верхнюю оценку величины λсп(t).

Высокие требования к устройствам АТС с точки зрения надежности определяются особенностями их эксплуатации. Системы работают во времени непрерывно в течение длительного срока службы (иногда до 20-30 лет). Поэтому система АТС в любой момент времени с высокой вероятностью должна быть готова выполнять свои функции и быть долговечной. Типовые системы АТС тиражируются в больших количествах и широко внедряются по всей стране. Проблему обеспечения надежности систем АТС усложняют неблагоприятные климатические, динамические и электромагнитные условия их работы. Аппаратура подвергается воздействию температуры и влажности окружающей среды, динамическим воздействиям со стороны движущихся поездов, влиянием тягового тока и грозовых разрядов.

Статистические данные об отказах технических устройств ж.-д. транспорта, отражающие средние по годам соотношения и тенденции, показывают, что на долю систем АТС приходится около 20 % всех отказов. Это объясняется большим количеством аппаратуры, эксплуатируемой на сети дорог, и подверженностью ее указанным дестабилизирующим факторам. Среди различных систем АТС наибольшее число отказов дают наиболее распространенные системы электрической централизации — 50-60 %, автоматической блокировки — 20-30 % и полуавтоматической блокировки — 10-15 %.

При этом самую низкую надежность имеет напольное оборудование. Наибольшее число отказов имеют рельсовые цепи — 20 %, что объясняется условиями их эксплуатации. Они подвергаются постоянным динамическим нагрузкам и резким колебаниям температуры и влажности окружающей среды. Основными причинами отказов рельсовых цепей являются нарушение изоляции в стыке, обрыв стыкового соединителя, понижение сопротивления балласта. У стрелочных электроприводов (около 13 % всех отказов) наиболее характерными отказами являются нарушение контакта автопереключателя, неполное прижатие щеток, загрязнение коллектора, обрыв и замыкание секций обмоток якоря и статора, неисправности механической передачи. Отказы светофоров (около 6 % всех отказов) состоят в основном из перегорания нити ламп, нарушения контакта в ламподержателе, неисправности монтажа, боя линз. Наибольшее число отказов среди реле дают импульсные реле (эрозия контактов, пробой выпрямителя, разрегулировка электрических характеристик). Основными причинами отказов нейтральных реле являются нарушение контакта в штепсельном разъеме, подгорание и эрозия контактов и др. Значительную долю отказов дают кабельные и воздушные линии связи −13 %, источники питания — 9 % и элементы защиты — 7 %.

Методы обеспечения необходимого уровня надежности систем АТС состоят в применении высоконадежных, отказоустойчивых, контролепригодных систем и прогрессивных методов технического обслуживания. Надежность существующих релейных устройств базируется на высоких качествах железнодорожных реле первого класса надежности, которые имеют интенсивность отказов порядка 0,1-0,3. Большие габариты реле и возможность визуального наблюдения за их работой определяет хорошую контролепригодность устройств. Современные системы АТС строят на микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе. Основной способ обеспечения их надежности заключается во введении избыточности (аппаратурной, программной, информационной и временной). Эффективным способом повышения надежности систем АТС является совершенствование методов технического обслуживания, поскольку практически все системы АТС являются восстанавливаемыми с длительным сроком службы. Техническое обслуживание включает в себя плановые работы, выполняемые в соответствии с инструкциями, восстановительные работы при отказе и текущий ремонт. Время восстановления Тв складывается из времени оповещения электромеханика об отказе, времени прибытия к отказавшему объекту, времени поиска и устранения отказа. В среднем по сети Тв = 60-90 мин. В отрасли используют три метода технического обслуживания: индивидуальный (околотковый), групповой (бригадный) и комбинированный. В случае околоткового метода обслуживаемый объект разделяют на небольшие участки, на которых все работы выполняют электромеханик и электромонтер. При бригадном методе весь объект обслуживает бригада из нескольких человек во главе с руководителем. Бригадный метод обеспечивает наибольшую производительность труда и хорошее качество обслуживания.