CC BY
6
УДК 629.4-592
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-230-231
ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНОЙ ФУНКЦИИ АВТОРЕЖИМА ПОДВИЖНОГО СОСТАВА С ЦЕЛЬЮ ОЦЕНКИ ЕГО ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ НА ОСНОВЕ ДЕРЕВА ОТКАЗОВ
В.А. Карпычев, А.Б. Болотина, А.В. Страхова
В данной статье рассматривается процедура формирования основной функции для авторежима. Цель -дальнейшее построение дерева отказов, а именно символическое представление существующих в системе условий, способных вызвать ее отказ. Выявлена двойственность формулировки основной функции для авторежима и произведено её устранение с помощью исключения словосочетаний, вносящих нечёткость и расплывчатость понятия. Для устранения незаконченности составлен и проанализирован список новых терминов на основе смысловой подчиненности. Подробно раскрыта причина затруднённого использования метода простого отрицания. Сформулирована новая формулировка, четко определяющая границы работоспособности понятием «соответствующее», конкретных параметров преобразования, таких как усилия, перемещения и входные воздействия. Введен термин -«обеспечение» для исключения ложного посыла и придания большей смысловой ясности. Так же раскрывается цель сохранения в формулировке предыдущих, актуальных понятий. В данной статье была проведена оценка необходимости включения новых терминов - "соответствующий выходной сигнал" и "герметичность". В исследуемой работе авторы приходят к новой, усовершенствованной функции для авторежима, которая принята для дальнейшего решения задачи оценки надежности авторежима на основе такого метода, как «дерево отказов».
Ключевые слова: дерево отказов, функция авторежима, обеспечение, надёжность авторежима, система безопасности, выходной сигнал.
Данная статья является результатом работ в области системного анализа тормозной системы грузового поезда. В качестве объекта рассматривался авторежим. В качестве метода анализа использовался метод построения дерева отказов, предназначенный для оценки функциональности и надежности сложных систем.
Авторежим - это устройство, относящееся к тормозной системе грузового вагона и предназначенное для регулирования давления в тормозных цилиндрах в зависимости от загрузки вагона. Оценка надежности работы данного устройства является актуальной задачей, т.к. авторежим является элементом системы безопасности подвижного состава [1,2]. Тормозное оборудование грузового вагона изображено на рисунке.
Тормозное оборудование грузового вагона: 1 - соединительный рукав: 2 - концевой кран; 3 - стоп-кран; 4 - тормозная магистраль; 5 - пылеловка; 6 - главная часть воздухораспределителя; 7 - двухкамерный резервуар; 8 - разобщительный кран; 9 - магистральная часть воздухораспределителя №483; 10 - отвод к воздухораспределителю; ЗР - запасный резервуар; АР - авторежим; ТЦ - тормозной цилиндр
Постановка задачи. Процедура построения дерева неисправностей заключается в обосновании нежелательного (неблагоприятного, завершающего) события в рассматриваемой системе. Обоснование нежелательного события осуществляется на основе формулировки главной (основной) функции объекта. Формулировка основной функции требует тщательного изучения возможного поведения и предполагаемого режима использования системы, определения функциональных свойств и событий различного уровня для выявления тех или иных неисправностей системы, построения дерева неисправностей для логических событий на входе, определяемых в терминах идентифицируемых независимых первичных отказов.
Основной целью построения дерева неисправностей является символическое представление существующих в системе условий, способных вызвать ее отказ. Построенное дерево позволяет показать в явном виде слабые места системы и является наглядным средством представления и обоснования принимаемых решений, а также средством исследования компромиссных соотношений или установления степени соответствия конструкции системы заданным требованиям [3,4]. Построение дерева также основывается на тщательном изучении системы.
Формирование основной функции для авторежима. В данной статье рассматривается процедура формирования основной функции для авторежима с целью дальнейшего построения дерева отказов.
Формулировки функции основывается на следующих подходах:
1) Если основная функция выполняется, то объект находится в работоспособном состоянии, если не выполняется, то в неработоспособном состоянии.
2) Формулировка функции осуществляется в наиболее обобщенных терминах.
3) Основная функция должна принадлежать изучаемому объекту. На этой основе осуществляется проверка границ её существования.
4) Формулировка не должна содержать скрытые противоречия. Данная проверка осуществляется на основе ситуационного моделирования реального состояния объекта и классифицируемого на основе формулировки функции и главного неблагоприятного события путем сравнительного сопоставления.
4) Главное неблагоприятное событие формулируется на основе метода простого отрицания. Основа метода заключается в поиске главных смыслосодержащих терминов в формулировке функции и применения частицы НЕ к этим терминам.
Формулировка основной функции авторежима. Формулировка функции первоначально осуществляется на основе существующего представления об объекте и как правило требует методических работ по усовершенствованию и корректировке.
Так на основе анализа функционирования авторежима за основу были приняты термины - создание, соответствующее давление. В результате получено:
{Авторежим предназначен для создания соответствующего давления в тормозном цилиндре.}
Анализ главного неблагоприятного события. Использование метода простого отрицания, позволило сформулировать главное неблагоприятное событие. В качестве смыслосодержащих терминов использовались «создание» и «соответствующее». В итоге получилось два варианта:
1)Авторежим НЕ создает соответствующее давление в тормозном цилиндре.
2)Авторежим создает НЕ соответствующее давление в тормозном цилиндре.
Анализ формулировки №2 показал, что если авторежим создает не соответствующее давление, то он не и создает соответствующее, т.к. авторежим не может одновременно создавать два разных давления. Отсюда первоначальная формулировка может быть преобразована к следующей: «Авторежим не создает соответствующее давление». Однако данная формулировка идентична формулировке отказа №1. Поэтому формулировки отказа №2 и №1 тождественны. Отсюда - необходимо и достаточно использование лишь одну: «Авторежим не создает соответствующее давление».
Двойственность формулировки неблагоприятного события. Доказав тождественность, в дальнейшем выполнена проверка границ существования формулировки, т.е. доказательство принадлежности формулировки к данному объекту. Проверка осуществлялась на основе рассмотрения и анализа причинно-следственных связей событий. В качестве событий рассматривались отказы, принадлежащие рассматриваемому объекту, и осуществлялся поиск отказов, не принадлежащих к авторежиму.
Для первого случая рассмотрено заедание верхнего поршня авторежима [5,6,7]. Это приводит к тому, что коромысло давит на поршень, а в результате его заедания перемещение будет отсутствовать. Воздух из воздухораспределителя не будет поступать в полость двухседельчатого клапана, а также в тормозной цилиндр (ТЦ). В результате авторежим не создает соответствующее давление в тормозном цилиндре.
Для второго случая рассмотрен излом и обрыв подводящей трубки к ВР от авторежима или излом и обрыв подводящей трубки от ТЦ к авторежиму. В обоих случаях воздух при торможении будет уходить в атмосферу. Таким образом, авторежим не создает соответствующее давление, но отказ не относится рассматриваемому объекту. Данный факт указывает на границы события главного отказа, выходящие за пределы изучаемого объекта, т.е. на наличие двойного толкования или двойственности.
Вывод: в результате внешней причины формулировка неблагоприятного события обладает двойственностью. Поэтому в дальнейшем формулировка основной функции была скорректирована.
Корректировка формулировки основной функции для авторежима - устранение словосочетаний, вносящих двойственность. Процедура корректировки основывалась на поиске терминов, приведших к двойственности. В качестве таких терминов выявлено словосочетание - «создает давление». Анализ функционирования тормозной системы показал, что в процессе создания давления кроме авторежима участвуют воздухораспределитель, запасной резервуар, влияние на процесс могут оказать трубопроводы. Таким образом, словосочетание -«создает давление», действительно вносит двойственность в смысловое наполнение главной функции и главного неблагоприятного события.
Удаляя это словосочетание, получена формулировка: «Авторежим предназначен для соответствия в ТЦ». В данном определении используется ключевое определение: «соответствующее». Поэтому при построении следующих формулировок данное ключевое слово оставлено. Было также отмечено, что формулировка считается незаконченной. Для устранения незаконченности составлен список понятий, связанных с термином «соответствующая» на основе смысловой подчиненности.
Соответствующая:
-работоспособность;
- эффективность.
Соответствующее:
- сопротивление движению поезда.
Анализ связанных терминов. Далее каждое понятие использовано в формулировке с дальнейшим анализом.
Работоспособность — это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданную функцию с параметрами, установленными требованиями технической документации, в течение срока службы. Отказ — это нарушение работоспособности. Свойство элемента или системы непрерывно сохранять работоспособность при определённых условиях эксплуатации (до первого отказа) называется безотказностью. Безотказность — свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.
Вводя термин «работоспособность» в формулировку функции, получено:
«Авторежим предназначен для соответствующей работоспособности». Анализ показал, что данная формулировка является слишком общей и применима практически для любого изделия или системы. Вместе с этим термин «соответствующее» хотя и определяет границы работоспособности конкретного объекта, но после его уточнения, что также указывает на использование слишком обобщенного термина. В данном виде затруднено использование метода простого отрицания.
Эффективность системы — это свойство системы выполнять поставленную цель в заданных условиях использования и с определенным качеством. Показатели эффективности характеризуют степень приспособленности системы к выполнению поставленных перед ней задач и являются обобщающими показателями оптимальности её функционирования. Эффективность — это результативность процесса, операции, проекта и определяется как отношение полученного результата (достигнутого эффекта) к затратам — расходам на его получение. Для оценки этого параметра деятельности используется специальный математический аппарат (коэффициенты, формулы, методы расчета и т.д.).
Сформулирована основная функция, используя этот термин: «Авторежим предназначен для соответствующей эффективности». Данная формулировка является слишком общей, не определяет конкретные значения параметров эффективности, хотя определяются границы работоспособности. Однако не ясным является вывод о полном исключении понятия «эффективности» из нашего рассмотрения. С одной стороны, чем больше полость верхнего и нижнего поршня, тем ниже эффективность т.к. необходимо больше воздуха для торможения. С другой стороны, чем время срабатывания больше, тем ниже эффективность. Например, при торможении и отпуске при малом сечении подводящей трубки от ТЦ к авторежиму время перехода воздуха в ТЦ больше. В данном виде затруднено использование метода простого отрицания.
Соответствующее сопротивление движению поезда. Сформулирована основная функция, используя данное понятие: «Авторежим предназначен для соответствующего сопротивления движению поезда». Данная формулировка не определяет четкие границы сопротивления движению. В данном виде затруднено использование метода простого отрицания. Также было показано, что в случае отказа воздухораспределителя соответствующее сопротивление движению поезда может отсутствовать. Данный факт свидетельствует о скрытой двойственности, заложенной в формулировку основной функции.
На основе проведенного анализа был сделан вывод, что используемые на основе смысловой подчиненности термины не могут быть использованы в формулировке основной функции, что потребовало дальнейшую корректировку.
Выбор подходящего параметра и новая формулировка. На основе углубленного анализа конструкции АРЖ [8], его работы как самостоятельно, так и в системе предложено следующее:
«Авторежим предназначен для эффективного своевременного преобразования (усилия, перемещения, входных воздействий) в соответствующий выходной сигнал».
Данная формулировка является довольно четкой, определяются границы работоспособности понятием «соответствующее», определяются конкретные параметры преобразования (усилия, перемещения, входные воздействия).
В качестве параметров, требующих преобразования, предлагаются: усилия, перемещения, входные воздействия. С точки зрения обоснования выбора, учтено следующее обстоятельство - авторежим (АРЖ) в процессе работы получает два сигнала на входе:
А) величину прогиба рессорного комплекта;
Б) величину давления от воздухораспределителя (ВР).
Исходя из этого, наиболее приемлемым является параметр «входные воздействия», который учитывает и перемещения, и усилия.
В итоге имеем: «Авторежим предназначен для эффективного и своевременного преобразования входных воздействий в соответствующий выходной сигнал. Используя метод простого отрицания, получено: «Авторежим эффективно и своевременно не преобразует входной воздействие в соответствующий выходной сигнал».
Введение нового понятия. Далее замечено, что преобразование может осуществляться только при наличии входного воздействия, а при его отсутствии преобразование не происходит [9,10]. На основе главного неблагоприятного события отсутствие преобразования может, на первый взгляд, трактоваться как отказ. Для исключения ложного посыла и придания большей смысловой ясности введено понятие - «обеспечение». В результате получено:
«Авторежим предназначен для обеспечения эффективного и своевременного преобразования входных воздействий в соответствующий выходной сигнал».
Сохранение актуальных терминов. Проведя проверку актуальности использования терминов «эффективное преобразование» и «своевременное преобразование» получено следующее заключение.
Чем больше полость верхнего и нижнего поршня, тем больше требуется затрат воздуха на тот же результат. Данный факт снижает эффективность при сохранении своевременности. Чем больше время запаздывания на срабатывание при сохранении отношения результата к затратам, тем хуже своевременность. В результате термины являются актуальными остаются в формулировке основной функции.
Оценка необходимости термина «герметичность». На результат преобразования влияет герметичность. Поэтому проведена оценка необходимости включения данного термина в формулировку основной функции.
В случае утечек сжатого воздуха при нарушении герметичности возрастает и количество его затрат на исполнение основной функции и достижения одинакового результата. Отсюда герметичность учитывается в параметре эффективности не требуется включения данного термина в формулировку.
Анализ необходимости термина «соответствующий выходной сигнал». Рассмотрение термина -«соответствующий выходной сигнал» показало следующее. Преобразование в соответствующий выходной сигнал подразумевает некоторое соотношение между входом и выходом или коэффициент преобразования. При этом соответствие преобразования закладывает все необходимые требования, учитывающие соотношение входного воздействия и выходного сигнала. Однако термин соответствие не распространяется на требования к входному воздействию, что выходит за границы функционирования авторежима и больше относится к системе «автотормоз - вагон».
Выводы. Таким образом, качестве обоснована следующая формулировка основной функции авторежима:
«Авторежим предназначен для эффективного и своевременного обеспечения преобразования входных воздействий в соответствующий выходной сигнал».
«Данная функция принята для дальнейшего решения задачи оценки надежности авторежима на основе метода - «дерево отказов».
Список литературы
1. Крылов В.И., Клыков Е.В., Ясенцев В.Ф. Тормоза подвижного состава. М.: Транспорт, 1980. 274 с.
2. Диллон Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем // Пер. с англ. М.: Мир, 1984.
318 с.
3. Берман А.Ф., Павлов Н.Ю., Николайчук О.А. Научная статья Метод синтеза и анализа деревьев отказов на основе понятий механизмов и кинетики событий // Иркутский государственный университет, 2018.
4. Карпычев В.А., Шеньков А.М. Труды МФТИ Том №10. Решение задачи обоснования основной функции противоюзной системы в рамках системного анализа на основе метода дерева отказов. М., 2018. С. 75-80.
5. Крылов В.И., Крылов В.В., Ефремов В.Н., Демушкин П.Т. Тормозное оборудование железнодорожного подвижного состава: Справочник. М.: Транспорт, 1989. 487 с.
6. Иноземцев В.Г. Тормоза железнодорожного подвижного состава: Вопросы и ответы. 3-е изд., стереотипное. М.: Транспорт, 1987. 207 с.
7. Посмитюха А.Л. Локомотивные приборы безопасности и контроль за их работой. М.: Транспорт, 1992.
61 с.
8. 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.
9. 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.
10. Малыхин А.П. Тормозное оборудование локомотивов. Иллюстрированное пособие, 2015. 109 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, abbolotina@yandex. ru, Россия, Москва, Российский Университет Транспорта (МИИТ),
Страхова Арина Владимировна, студент [email protected], Россия, Москва, Российский Университет Транспорта (МИИТ)
JUSTIFICATION OF THE MAIN FUNCTION OF ROLLING STOCK AUTO MODE FOR THE PURPOSE OF ASSESSING ITS TECHNICAL CONDITION ON THE BASIS OF THE FAULT TREE.
V.A. Karpychev, A.B Bolotina, A. V. Strakhova
This article discusses the procedure for generating the main function for auto mode. The goal is to further build a fault tree, namely a symbolic representation of the conditions existing in the system that can cause its failure. The duality of the formulation of the main function for the auto mode is revealed and it is eliminated by eliminating phrases that introduce fuzziness and vagueness of the concept. To eliminate incompleteness, a list of new terms was compiled and analyzed on the basis of semantic subordination. The reason for the difficult use of the simple negation method is disclosed in detail. A new formulation has been formulated that clearly defines the boundaries of performance with the concept of "corresponding", specific transformation parameters, such as forces, displacements and input actions. The term - "providing" was introduced to exclude a false message and give greater semantic clarity. The goal of preserving the previous, relevant concepts in the formulation is also revealed. In this article, an assessment was made of the need to include new terms - "corresponding output signal" and "tightness". In the work under study, the authors come to a new, improved function for the auto mode, which is adopted for further solving the problem of assessing the reliability of the auto mode based on such a method as the "fault tree".
Key words: fault tree, auto mode function, provision, auto mode reliability, safety system, output signal.
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, [email protected], Russia, Moscow, Russian University of Transport (MIIT)
