CC BY
6
УДК 629.4-592
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-294-295
К ВОПРОСУ О НАДЕЖНОСТИ АВТОРЕЖИМА. ОБОСНОВАНИЕ ОТКАЗОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ДЕРЕВА НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ СОБЫТИЙ
В.А. Карпычев, А.Б. Болотина, А.В. Страхова
Рассмотрены и сформулированы события отказа авторежима с помощью метода дерева неблагоприятных событий. Введены новые термины и понятия, такие как рабочий цикл, коэффициенты запаздывания, эффективности и стабильности, мгновенный коэффициент отклонения, исходное состояние. Произведена оценка существующих требований для проектируемых конструкций и предложено их новое формулирование. На основе условий эксплуатации поставлена задача обоснования требуемых характеристик авторежима, повышающих его надежность.
Ключевые слова: авторежим, тормозная система, дерево отказов, торможение, перекрыша, отпуск, коэффициент запаздывания, коэффициент эффективности, коэффициент стабильности, мгновенный коэффициент отклонения.
Авторежим - это устройство, относящееся к тормозной системе грузового вагона и предназначенное для регулирования давления в тормозных цилиндрах. Обоснование отказов основывается на формулировании основной функции авторежима, главного неблагоприятного события, установлении причинно-следственных связей отказов с главным неблагоприятным событием.
В результате проведенных ранее исследований предложена формулировка главной функции авторежима:
«Авторежим предназначен для обеспечения эффективного и своевременного преобразования входных воздействий в соответствующий выходной сигнал».
Используя метод простого отрицания, основанный на выявлении главного смыслосодержащего термина в определении функции и установки перед ним частицы «НЕ» сформулировано главное неблагоприятное событие в виде:
А = {Авторежим не обеспечивает эффективное и своевременное преобразование входных воздействий в соответствующий выходной сигнал.}
Событие А является сложным, поэтому раскладывается на составляющие, учитывая причинно-следственные связи. Отмечено, что если главным смысловым термином является понятие - обеспечение, то в качестве смысловых понятий второго уровня можно принять: «эффективное», «своевременное», «соответствующее». При этом если рассматривать «эффективность», она должна удовлетворять определенным требованиям. С точки зрения «своевременности» также должны быть сформулированы требования. Понятие «соответствующее преобразование», также указывает на наличие требований к результату преобразования. Только при выполнении определенных требований мы можем говорить об обеспечении эффективности, своевременности и соответствии. Исходя из представленных рассуждений можно сделать вывод, что термин «требования» является более обобщенным, который конкретизируется на основе свойств объектов, к которым они относятся. В результате получаем более обобщенную конструкцию формулировки основной функции:
«Авторежим предназначен для обеспечения требуемого преобразования входных воздействий в выходной сигнал».
Используя метод простого отрицания, получаем главное неблагоприятное событие:
А = {Авторежим не обеспечивает требуемое преобразование входных воздействий в выходной
сигнал}.
Под входным воздействием мы понимаем входной сигнал, поступающий от воздухораспределителя и скорректированный в зависимости от загрузки вагона.
На основе выполненной замены термины эффективный, своевременный и соответствующий перенесены ниже на второй уровень. В результате получены следующие составляющие события:
Б = {Авторежим не обеспечивает требуемое эффективное преобразование входных воздействий в выходной сигнал}.
В = {Авторежим не обеспечивает требуемое своевременное преобразование входных воздействий в выходной сигнал}.
Г = {Авторежим не обеспечивает требуемое соответствующее преобразование входных воздействий в выходной сигнал}.
Если свершается хотя бы одно из событий, то мы получаем свершение главного неблагоприятного события, поэтому используется оператор «ИЛИ в логической схеме (рисунок 1).
Рассмотрение события «не обеспечение эффективности» показала следующее.
Во-первых, отмечено, что авторежим в процессе активизации тормозной системы работает в циклическом режиме: исходное состояние, торможение, перекрыша, возврат в исходное состояние. Данный режим охарактеризован термином - «рабочий цикл». Рабочий цикл может быть охарактеризован различными параметрами. При этом в качестве одного из них предлагается параметр - эффективность.
Если рассматривать отказы, приводящие к отсутствию торможения или отпуска, то применительно к рабочему циклу получаем отсутствие преобразования входных воздействий, т.е. нарушение рабочего цикла. Таким образом, событие Б распадается на два события:
Б: = {нарушение рабочего цикла.};
Б2 = {необеспечение требуемой эффективности рабочего цикла.};
Для свершения события «Б» достаточно свершения одного из предлагаемых событий, поэтому используем оператор «ИЛИ»
Рассматривая событие:
В= {Авторежим не обеспечивает своевременное преобразование входных воздействий в выходной сигнал}, получено следующее.
Под входными воздействиями понимаются два сигнала. Первый сигнал поступает от воздухораспределителя, который корректируется в зависимости от загрузки вагона, а точнее от изменения расстояния между подрессоренными и неподрессоренными элементами тележки. Следует отметить, что изменение загрузки вагона в сравнении с работой воздухораспределителя более статичный сигнал. Однако в процессе движения расстояние между подрессоренными и неподрессоренными частями могут динамически изменяться, что приводит к необходимости сглаживания колебаний демпфером.
Применительно к первому входному воздействию воздухораспределитель формирует следующий сигналы:
- на торможение в форме повышения на входе в авторежим давления до величины соответствующей глубине разрядки магистрали и установленного режима на воздухораспределителе (как правило -«средний»)
- на отпуск в форме понижения на входе в авторежим давления
- на перекрышу в форме фиксации на входе давления. С точки зрения «своевременности» под этим понятием понимаем время, проходящее от начала изменения входного воздействия до появления изменения выходного. Отсюда для оценки своевременности можно использовать коэффициент запаздывания, который характеризуется отрезком времени:
А1 1вых — 1вх,
где 1вых - время от начала отсчета до появления выходного сигнала; 1вх - время от того же начала отсчета до появления входного сигнала.
Исходя из имеющихся режимов следует, что коэффициент запаздывания применим к процессу торможения, перекрыши и отпуску. Тогда получаем следующие события:
В1 = {необеспечение требуемого коэффициента запаздывания рабочего цикла при торможении};
В2 = {необеспечение требуемого коэффициента запаздывания рабочего цикла перекрыши};
В3 = {необеспечение требуемого коэффициента запаздывания рабочего цикла при отпуске}.
Для свершения события «В» достаточно свершения одного из событий «В:», «В2» или «В3». Используем оператор «ИЛИ»
Вместе с этим, коэффициент запаздывания характеризует в точках начала отклонение процессов.
Рассматривая событие:
Г = {Авторежим не обеспечивает соответствующее преобразование входных воздействий в выходной сигнал} получено, что, характеризуя рабочий цикл, следует ввести коэффициент стабильности. Этот коэффициент характеризует стабильность отклонений сигналов на входе и выходе в процессе реализации рабочего цикла. Если учесть, что величина отклонений относится к рабочему циклу, то получаем понятие стабильности рабочего цикла. Отсюда суммарная величина отклонений выходного сигнала от входного должна быть минимальной и стабильной. Принимая во внимание, что выходной сигнал формируется не только в зависимости от сигнала воздухораспределителя, но и от величины загрузки, то можем утверждать, что величина суммарного отклонения сигналов для заданной загрузки есть величина конкретная и должна быть стабильная для рабочих циклов. При этом величина отклонения определяется относительно некоторой нормируемой характеристики. Если суммарная величина отклонений для заданной загрузки превышает некоторую нормируемую величину, то имеем - коэффициент стабильности не соответствует норме. Отсюда получено следующее событие Г: = {Авторежим не обеспечивает требуемый коэффициент стабильности рабочего цикла}.
Данное событие можно разложить на составляющие исходя из режимов рабочего цикла - торможения, перекрыши и отпуска. Тогда получаем:
Гц = {Авторежим не обеспечивает требуемый коэффициент стабильности рабочего цикла при торможении}
Г12 = {Авторежим не обеспечивает требуемый коэффициент стабильности рабочего цикла при перекрыши}
Г13 = {Авторежим не обеспечивает требуемый коэффициент стабильности рабочего цикла при
отпуске}
Отметим, что предложенный коэффициент стабильности отражает для рассматриваемого рабочего цикла суммарные отклонения и может быть определён, как разница нормируемой суммы среднеквадратичных отклонений от суммы отклонений реализуемого рабочего цикла применительно к заданной загрузке.
С другой стороны, с точки зрения соответствия имеем следующую ситуацию. Для одного и того же сигнала на входе (от воздухораспределителя (ВР)) мы можем иметь разные в абсолютном выражении сигналы на выходе (от авторежима (АРЖ) к тормозному цилиндру (ТЦ)). При этом выходной сигнал формируется не только на основе входного сигнала от ВР, но и в соответствии с загрузкой вагона. Если коэффициент стабильности - это некоторый суммарный показатель отклонений, то следует учесть и мгновенный показатель отклонений. В этом случае мгновенный показатель отклонений может превышать некоторую нормируемую допускаемую величину. Исходя их этого, введем величину - мгновенный коэффициент отклонения. Укажем, что мгновенный коэффициент отклонения должен быть нормируемым в случае нормальной работы авторежима, а с другой стороны - требуемым применительно к условиям эксплуатации. В результате получаем:
Г2 = {Мгновенный коэффициент отклонения рабочего сигнала не соответствует норме}.
Г21 = {Мгновенный коэффициент отклонения рабочего сигнала при торможении не соответствует норме}
Г22 = {Мгновенный коэффициент отклонения рабочего сигнала при перекрыши не соответствует норме}
Г23 = {Мгновенный коэффициент отклонения рабочего сигнала при отпуске не соответствует
норме}
Рассмотрим события, связанные с рабочим циклом.
Б1 = {нарушение рабочего цикла.};
Рабочий цикл составляют: режим торможения, режим перекрыши и режим отпуска. Нарушение рабочего цикла- это нарушение режимов работы, составляющих рабочий цикл. В результате получено:
Б11 ={не обеспечивается режим торможения}
Б12 ={не обеспечивается режим перекрыши}
Б13={не обеспечивается режим отпуска}.
Рассмотрение процесса торможения показало следующее. При изменении прогиба рессорного подвешивания вагона (во время загрузки) происходит перемещение вилки, в результате чего изменяется соотношение плеч рычага, оценивается степень загрузки вагона. Питательный клапан сообщает ТЦ с воздухораспределителем. После наполнения ТЦ необходимым количеством воздуха поршень цилиндра приводит в действие тормозные колодки вагона в результате чего происходит торможение.
Результатом работы АРЖ при торможении является появление давления в выходном патрубке.
Поэтому имеем события:
Б111= {отсутствует относительное давление в выходном патрубке}.
Б112= {имеет место повышение давления во входном патрубке}.
События должны происходить одновременно, поэтому используем оператор «И»
Рассмотрение процесса перекрыши позволило обосновать соответствующие события. Перекрыша - поддержание на постоянном уровне промежуточной ступени давления в тормозных цилиндрах, достигнутого при предшествующей ступени (ступенях) торможения (или иногда ступени отпуска). Как правило, за перекрышей может следовать или дальнейшая ступень торможения, увеличивающая давление в тормозных цилиндрах, или отпуск.
Результатом перекрыши является стабилизация давления в ТЦ. Тогда получено:
Б121= {отсутствие стабильного давления в выходном патрубке}.
Б122= {имеет место стабилизация давления во входном патрубке}.
Рассматривая процесс отпуска, получено.
При отпуске тормоза давление воздуха в полости с правой стороны нижнего поршня понижается воздухораспределителем и равновесие поршней (верхнего и нижнего) нарушается.Под избыточным давлением воздуха со стороны тормозного цилиндра верхний поршень перемещается влево и открывает атмосферный канал, через который уходит воздух из цилиндра.
Как только давление в цилиндре снизится до 0,5—0,7 кгс/см2, под действием пружин (верхнего и нижнего поршней) нижний поршень передвинется влево, а верхний поршень вправо, закрывая атмосферный канал и открывая питательный клапан. Благодаря этому остаток воздуха из тормозного цилиндра уйдет в атмосферу через воздухораспределитель.
Результатом отпуска является снижение давления в выходном патрубке ТЦ
Б131 = {отсутствует снижение давления в выходном патрубке ТЦ}.
Б132 = {имеет место снижение давления во входном патрубке}.
События должны происходить одновременно, поэтому используем оператор «И».
Таким образом, нарушение рабочего цикла рассмотрено из условий полного отсутствия его составляющих режимов. Дальнейший анализ особенностей этого события показал следующее.
Нарушение рабочего цикла, это не только полное отсутствие составляющих его режимов. Так, например, если в режиме перекрыши имеем наличие торможения, то получаем проявление составляющей рабочего цикла в несоответствующее время или несоответствующее проявление составляющих рабочего цикла. Несоответствующее проявление одного из режимов рабочего цикла не позволяет говорить об отсутствии режима как такового. Вместе с этим, с точки зрения системы мы используем понятия торможение, перекрыша и отпуск как составляющие её рабочего цикла. А с точки зрения работы авторежима, мы имеем понятие повышение давления в выходном патрубке, его стабилизация или его снижение. Отсюда:
торможение - повышение давления в выходном патрубке;
перекрыша - стабилизация давления в выходном патрубке;
отпуск - уменьшение давления в выходном патрубке.
Отсюда, несоответствующие проявления составляющих рабочего цикла не позволяют говорить о полном отсутствии того или иного режима и предполагает наличие отдельного события: «несоответствующее проявление составляющих рабочего цикла». Из условия соответствия степени обобщения события и уровня расположения в иерархии дерева, получено, что данное событие должно находиться ниже Б:, но выше Б:1, Б12, Б13. В этом случае необходимо сформулировать второе событие на данном же уровне исходя их требований к разрабатываемому дереву, а именно - на одном уровне должно быть как минимум два события. Исходя из необходимости строгого проведения анализа рассмотрен возможный вариант:
Б11 - полное отсутствие какой-либо составляющей рабочего цикла.
Б12 - несоответствующее проявление составляющих рабочего цикла.
Для уточнения особенностей указанных событий рассмотрим режим торможения. Режим торможения в понятиях авторежима соответствует повышению давления в выходном патрубке. В случае отсутствия повышения давления мы имеем отсутствие режима торможения. При этом давление в выходном патрубке может быть или стабильным, или падать. Учитывая, взаимосвязь понятия авторежима и системы получаем:
Стабильное давление - перекрыша.
Давление падает - отпуск.
Т.е. при отсутствии режима торможения имеем несоответствующее проявление перекрыши или отпуска.
Рассмотрим перекрышу.
Режим перекрыши в понятиях авторежима соответствует стабильному давлению в выходном патрубке. В случае отсутствия стабильного давления мы имеем отсутствие режима перекрыши. При этом давление в выходном патрубке может быть или повышаться, или падать. Учитывая взаимосвязь понятий авторежима и системы получаем:
Повышение давления - торможение.
Давление падает - отпуск.
Т.е. при отсутствии режима перекрыши имеем несоответствующее проявление торможения или отпуска.
Рассмотрим режим отпуска.
Режим отпуска в понятиях авторежима соответствует уменьшению давления в выходном патрубке. В случае отсутствия уменьшения давления мы имеем отсутствие режима отпуска. При этом давление в выходном патрубке может быть или стабильным или увеличиваться. Учитывая, взаимосвязь понятия авторежима и системы получаем:
Стабильное давление - перекрыша.
Давление увеличивается - торможение.
Т.е. при отсутствии режима отпуска имеем несоответствующее проявление перекрыши или торможения.
Обобщая получаем, что в случае отсутствия одной из составляющих рабочего цикла имеет место не соответствующее проявление других. Поэтому предложенные события Б11, Б12, Б13 являются необходимыми и достаточными, которые учитывают и фактор несоответствия.
При рассмотрении режима перекрыши, указывали, что в этом случае давление в выходном патрубке стабильно. Однако, величина давления может быть, как выше атмосферного, так и равна атмосферному. Если величина выше атмосферного, то имеем режим перекрыши. Если равно атмосферному, то имеем режим исходного состояния. Если исходное состояние не реализуется, то с формальной точки зрения реализуется режим торможения, перекрыши или отпуска. Однако, если учесть, что торможение — это повышение давления, а отпуск - понижение давления, то наиболее вероятно реализация режима перекрыши. Для учета этого этой особенности введем событие:
Б14 - отсутствует исходное состояние.Данное событие раскладывается на два: Б141 - давление в выходном патрубке не равно атмосферному Б142 - имеет место атмосферное давление во входном патрубке.
Эти события должны происходить одновременно, поэтому используется оператор «И». Таким образом, на основании проведенных исследований обоснована следующая спецификация событий в дереве отказов:
А = {Авторежим не обеспечивает требуемое преобразование входных воздействий в выходной сигнал}.Б = {Авторежим не обеспечивает требуемое эффективное преобразование входных воздействий в выходной сигнал}.
В = {Авторежим не обеспечивает требуемое своевременное преобразование входных воздействий в выходной сигнал}.
Г = {Авторежим не обеспечивает требуемое соответствующее преобразование входных воздействий в выходной сигнал}.
Б1 = {нарушение рабочего цикла.};
Б2 = {необеспечение требуемой эффективности рабочего цикла.};
Б11 ={не обеспечивается режим торможения}
Б12 ={не обеспечивается режим перекрыши}
Б13 = {не обеспечивается режим отпуска}.
Б14 = {отсутствует исходное состояние}.
Б111 = {отсутствует относительное давление в выходном патрубке}. Б112 = {имеет место повышение давления во входном патрубке}. Б121 = {отсутствие стабильного давления в выходном патрубке}. Б122 = {имеет место стабилизация давления во входном патрубке}. Б131 = {отсутствует снижение давления в выходном патрубке ТЦ}. Б132 = {имеет место снижение давления во входном патрубке}. Б141 - давление в выходном патрубке не равно атмосферному Б142 - имеет место атмосферное давление во входном патрубке.
В1 = {необеспечение требуемого коэффициента запаздывания рабочего цикла при торможении.};
В2 = {необеспечение требуемого коэффициента запаздывания рабочего цикла при перекрыши
};
В3 = {необеспечение требуемого коэффициента запаздывания рабочего цикла при отпуске}. Г1 = {Авторежим не обеспечивает коэффициент стабильности рабочего цикла} Г11 = {Авторежим не обеспечивает коэффициент стабильности рабочего цикла при торможении}
Г12 = {Авторежим не обеспечивает коэффициент стабильности рабочего цикла при перекрыши}
Г13 = {Авторежим не обеспечивает коэффициент стабильности рабочего цикла при отпуске} Г2 = {Мгновенный коэффициент отклонения рабочего сигнала не соответствует норме}. Г21 = {Мгновенный коэффициент отклонения рабочего сигнала при торможении не соответствует норме}
Г22 = {Мгновенный коэффициент отклонения рабочего сигнала при перекрыши не соответствует норме}
Г23 = {Мгновенный коэффициент отклонения рабочего сигнала при отпуске не соответствует
норме}
Приведенные события представлены в виде дерева отказов на рисунке 2.
Выводы.
В результате проведенных исследований получено.
1. Обоснованы и сформулированы в общем виде события отказа авторежима.
2. Введено понятие рабочего цикла, учитывающего цикличность работы авторежима.
3. Применительно к рабочему циклу авторежима введены понятия - коэффициент соответствия, коэффициент эффективности, коэффициент запаздывания, коэффициент стабильности, мгновенный коэффициент отклонения.
4. Введено понятие для авторежима - исходное состояние.
5. Полученные результаты позволяют сформулировать требования для вновь проектируемых конструкций и оценить существующие.
6. Сформулирована задача обоснования требуемых характеристик авторежима исходя из условий эксплуатации.
Список литературы
1. Карпычев В.А. Разработка метода системного анализа автотормоза грузового подвижного состава. дис. д-ра техн. наук: 05.22.07 / Карпычев Владимир Александрович. М., 2000. 316 с.
2. Крылов В.И. Тормоза подвижного состава / В.И.Крылов, Е.В.Клыков, В.Ф.Ясенцев. М.: Транспорт, 1980. 274 с.
3. Диллон Б. Инженерные методы обеспечения надежности систем. / Диллон Б., Сингх Ч.// Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 318 с.
4. Берман А.Ф. Научная статья Метод синтеза и анализа деревьев отказов на основе понятий механизмов и кинетики событий / А.Ф. Берман, Н.Ю. Павлов, О.А. Николайчук // Иркутский государственный университет, 2018.
5. Карпычев В.А. Труды МФТИ Том №10. Решение задачи обоснования основной функции противоюзной системы в рамках системного анализа на основе метода дерева отказов / В.А. Карпычев, А.М Шеньков. М., 2018. С. 75-80.
6. Классификатор «Основные неисправности грузовых вагонов» (К ЖА 2005) / Дирекция совета по железнодорожному транспорту государств-участников содружества, информационно-вычислительным центр железнодорожной администраций. М.: 2005. 16 с.
Карпычев Владимир Александрович, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, заместитель директора института - начальник отдела информатизации, [email protected], Россия, Москва, Российский Университет Транспорта (МИИТ),
Болотина Александра Борисовна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Москва, Российский Университет Транспорта (МИИТ),
Страхова Арина Владимировна, студент arishastrakhova543@gmail. com, Россия, Москва, Российский Университет Транспорта (МИИТ)
ON THE Q UESTION OF THE RELIABILITY OF THE AUTO MODE. JUSTIFICA TION OF FAIL URES ON THE BASIS OF THE METHOD OF THE TREE OF ADVERSE EVENTS.
V.A. Karpychev, A.V. Strakhova
The events of failure of the auto mode are considered and formulated using the method of the tree of adverse events. New terms and concepts have been introduced, such as duty cycle, delay, efficiency and stability factors, instantaneous deviation coefficient, initial state. An assessment of the existing requirements for the designed structures was made and their new formulation was proposed. Based on the operating conditions, the task was set to justify the required characteristics of the auto mode, which increase its reliability.
Key words: auto mode, braking system, fault tree, braking, overlapping, release, delay coefficient, efficiency coefficient, stability coefficient, instantaneous deviation coefficient.
Karpychev Vladimir Aleksandrovich, doctor of technical sciences, docent, head of the department, deputy director of the institute - head of the informatization, [email protected], Russia, Moscow, Russian University of Transport (MIIT),
Bolotina Alexandra Borisovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Moscow, Russian University of Transport (MIIT),
Strakhova Arina Vladimirovna, student, arishastrakhova543@gmail. com, Russia, Moscow, Russian University of Transport (MIIT)
