Розводюк Михайло Петрович

УДК 656(1-21):681.5+658.58

МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ ДЛЯ ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ОЦІНКИ СТАНУ ТА ВІДНОВЛЕННЯ ОСНОВНИХ ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ МІСЬКИХ ТРАМВАЇВ

Спеціальність: 05.09.03 – Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електромеханічних систем автоматизації Вінницького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | Заслужений діяч науки і техніки України,
доктор технічних наук, професор
Мокін Борис Іванович,
Вінницький національний технічний університет,
завідувач кафедри електромеханічних систем автоматизації

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
Родькін Дмитро Йосипович,
Кременчуцький державний політехнічний університет,

завідувач кафедри систем автоматичного управління і
електропривода

кандидат технічних наук

Карплюк Леонід Федорович,

Національний університет „Львівська політехніка”,

старший викладач кафедри електроприводу і
автоматизації промислових установок

Провідна установа: | Національний технічний університет
„Харківський політехнічний інститут”
кафедра автоматизованих електромеханічних систем
Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться " 25 " червня 2004 р. о 9.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .052.05 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий " 18 " травня 2004 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради |

Зелінський В.Ц.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Якість обслуговування населення міським електротранспортом як у м. Вінниці, так і в інших містах України не відповідає сучасним вимогам. Таке становище викликане тим, що трамвайно-тролейбусні парки старіють, а коштів на придбання нових одиниць рухомого складу не вистачає в трамвайно-тролейбусних управліннях (ТТУ).

В зв’язку з цим постає питання отримання об’єктивної інформації про роботоздатність міського електротранспорту, зокрема оцінки та прогнозування зміни технічного стану його основних функціональних систем (ФС).

Слід зазначити, що як в Україні, так і в країнах колишнього СРСР й країнах Заходу проблемам надійності роботи засобів міського електротранспорту увага приділяється менше, ніж тим засобам, які задіяні в технологічних та виробничих процесах. Таким чином сьогодні діагностуванням трамваїв та тролейбусів займаються практично лише в міських трамвайних та тролейбусних депо на рівні впровадження рацпропозицій, а серйозних досліджень проблем, пов’язаних із забезпеченням надійності трамваїв та тролейбусів в Україні не проводиться.

Тож побудова математичних моделей для оцінки стану та відновлення ФС трамваїв, як одного із основних видів міського електротранспорту є задачею актуальною як в науковому плані, так і в плані підвищення ефективності транспортного обслуговування населення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, які проводились протягом 1999–2004 років. Протягом 1999–2001 років дослідження та наукові розробки проводились по програмі магістерської підготовки здобувача, яка була успішно завершена восени 2001 року.

Вибраний напрямок дослідження співпадає із напрямком досліджень за держбюджетною науково-дослідною роботою № Д-236 (№ держ. реєстрації 0101U004674) на тему “Математичні моделі для технічної діагностики та прогнозування стану засобів міського електротранспорту”, затвердженою Міністерством освіти і науки України на 2001–2003 роки, яка виконувалась у Вінницькому національному технічному університеті протягом вказаного періоду.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є вдосконалення методів оцінки стану та відновлення ФС трамваїв, як одного із основних видів міського електротранспорту, придатних для розробки систем діагностування та відновлення їх роботоздатності, шляхом побудови математичних моделей.

Для досягнення цієї мети необхідно розв’язати такі задачі:

1. Провести аналіз існуючих наукових розробок з питань оцінки і прогнозування технічного стану та відновлення ФС засобів міського електротранспорту.

2. Побудувати математичні моделі для оцінки технічного стану електротехнічних ФС, що забезпечують рух трамваїв.

3. Синтезувати математичні моделі для оцінки рівня кваліфікації водіїв трамваїв.

4. Синтезувати математичні моделі для оцінки роботоздатності ФС міських трамваїв та розрахунку запасних частин (ЗЧ) для їх відновлення.

5. Синтезувати структури систем технічної діагностики основних електротехнічних систем міських трамваїв з використанням запропонованих моделей.

Розв’язанню поставлених задач присвячена дана дисертація.

Об’єктом дослідження в дисертаційні роботі є процеси зміни технічного стану основних електротехнічних систем міських трамваїв.

Предметом дослідження в дисертаційні роботі є математичні моделі для вдосконалення методів оцінки і відновлення стану основних функціональних систем міських трамваїв.

Методи дослідження. Для вирішення і аналізу поставлених задач використані методи: математична логіка для синтезу математичних моделей оцінки технічного стану прискорювача трамвая та синтезу структури системи для його технічної діагностики; пасивний експеримент для збору інформації про споживання електроенергії трамваями на маршрутах, статистичний аналіз для побудови емпіричних законів розподілу споживання електроенергії трамваями на маршрутах; теорія часових рядів для синтезу математичних моделей прогнозу споживання електроенергії трамваями на маршрутах, які характеризують рівень кваліфікації їх водіїв, та синтезу математичних моделей оцінки роботоздатності основних ФС трамваїв; теорія імовірностей для побудови математичних моделей для визначення резервів ЗЧ основних ФС трамваїв; секвенційний апарат для синтезу структури системи технічної діагностики тягового електричного двигуна.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі отримано такі нові наукові результати:

1. Вперше запропоновано новий підхід до синтезу математичних моделей оцінок характеристик роботоздатності функціональних систем трамваїв з використанням авторегресійних залежностей, на основі якого розроблено метод синтезу моделей імовірності безвідмовної роботи та інтенсивності відмов, який, на відміну від існуючих, дозволяє врахувати заміни елементів, які вийшли з ладу в системах, та зміни умов їх функціонування. На основі запропонованого підходу розраховано числові значення характеристик роботоздатності основних функціональних систем трамваїв.

2. Вперше побудовані емпіричні моделі споживання електроенергії вінницькими трамваями на маршрутах за годину та на 1 км пробігу (в умовах м. Вінниці), за допомогою яких доведено, що споживання електроенергії трамваями підкоряється логарифмічному нормальному закону, що дозволило синтезувати математичні моделі прогнозу споживання електроенергії трамваями на маршрутах з використанням авторегресійних моделей. Отримані математичні моделі дозволяють врахувати стохастичність споживання електроенергії трамваями та сезонність їх роботи, а також рівень кваліфікації водіїв.

3. Вперше запропоновано новий підхід для розрахунку запасних комплектів основних функціональних систем трамваїв шляхом введення в розрахункові формули залежності від імовірності відновлення відмовлених систем, в якому, на відміну від існуючих, враховано імовірність відновлення ремонтним органом елементів, що вийшли з ладу. На основі запропонованого підходу визначено оптимальні кількості запасних комплектів для основних функціональних систем міських трамваїв.

4. Вперше розроблені логіко-математичні моделі функціонування та оцінки технічного стану прискорювача трамвая, що дало можливість синтезувати структуру системи технічної діагностики прискорювача, яка дозволяє здійснити контроль його стану в реальному режимі роботи та при стендових випробуваннях.

5. Вперше синтезована структура системи технічної діагностики тягового електричного двигуна по стану ізоляції обмотки якоря з використанням розробленої секвенційної моделі, яка, на відміну від існуючих, враховує такі параметри, як струм, температуру та швидкість зміни температури.

Практичне значення одержаних результатів. Використання одержаних результатів дозволить підвищити ефективність транспортного обслуговування населення міста Вінниці та зменшити його енергоємність.

Розроблені математичні моделі та алгоритми можуть бути застосовані для побудови засобів технічного діагностування трамваїв та зменшення енергоємності транспортного обслуговування населення й інших міст.

Результати, отримані в дисертаційній роботі, впроваджені в навчальний процес Вінницького національного технічного університету та прийняті для впровадження Вінницьким підприємством „Трамвайно-тролейбусне управління”, що підтверджується відповідними актами, приведеними в додатку до дисертації.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Синтезовано математичну модель функціонування прискорювача трамвая та структурну схему функціонування системи діагностування прискорювача трамвая [8, 10]. Побудовані математичні моделі емпіричних законів розподілу споживання електроенергії трамваями, визначено довірчі інтервали для статистичних оцінок, які характеризують електроспоживання трамваями [3, 6]. Синтезовано математичні моделі процесу споживання електроенергії трамваями на маршрутах [4, 6]. Синтезовано математичні моделі оцінок характеристик роботоздатності ФС трамваїв [2, 9]. Адаптовано алгоритм розрахунку ЗЧ для ФС трамваїв, визначено кількість запасних комплектів для гальмівної системи трамваїв [5]. Розроблено математичні моделі розрахунку запасних комплектів та визначено їх необхідні кількості для основних ФС трамваїв [7]. Синтезовано математичну модель функціонування та структурну схему системи діагностування електричного двигуна [1].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати виконаних у дисертаційній роботі досліджень доповідались та обговорювались на таких конференціях: ХХІХ–ХХХІІ науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів університету з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області у 2000 – 2003 роках; VI–VIІ Міжнародних конференціях “Контроль і управління в складних системах” (КУСС–2001, КУСС–2003), які проводилися у Вінницькому національному технічному університеті 8–12 жовтня 2001 року та 8–11 жовтня 2003 року; ІІ Міжнародній конференції „Стійкий розвиток міст. Проблеми і перспективи енерго-, ресурсозбереження житлово-комунального господарства”, яка проводились у Харківській державній академії міського господарства 17–18 квітня 2003 р.

Публікації. Основний зміст роботи опубліковано в 8 наукових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 2 тезах доповідей у збірках праць міжнародних науково-технічних конференцій.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота містить 5 розділів, висновки, список використаних джерел, 3 додатки. Загальний обсяг дисертації 160 сторінок, з яких основний зміст викладений на 149 сторінках друкованого тексту, містить 29 рисунків, 19 таблиць. Список використаних джерел складається з 125 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми досліджень, зазначено зв’язок роботи з науковими програмами, темами. Вказано мету та задачі досліджень. Приведено характеристику наукової новизни та практичного значення одержаних результатів, а також описано їх апробацію, публікації та впровадження.

У першому розділі здійснено аналіз складу та структури рухомого складу електротранспорту Вінницького ТТУ, існуючої системи і організації його технічного обслуговування, в результаті чого встановлено, що оновлення рухомого складу електротранспорту не спостерігається, а їх обслуговування не задовольняє сучасним вимогам.

Проведено аналіз несправностей ФС трамваїв і тролейбусів, законів їх розподілів.

Здійснено аналіз відомих математичних моделей оцінки технічного стану і відновлення ФС електротранспорту, в результаті якого встановлено, що відомі моделі оцінки роботоздатності засобу не враховують ряд особливостей, головні з яких: вплив на поведінку моделі оцінки роботоздатності системи фактору заміни відмовленого її елемента новим або післяремонтним; імовірності відновлення ремонтним органом елементів, які вийшли з ладу, для визначення необхідної кількості ЗЧ; здійснення оцінки технічного стану систем в процесі роботи електротранспорту.

На підставі проведеного аналізу сучасного стану проблеми сформульовано мету і задачі дисертаційної роботи, в яких увагу сконцентрована лише відносно трамваїв.

У другому розділі розроблені математичні моделі для оцінки технічного стану основних електротехнічних ФС міських трамваїв, що забезпечують їх рух: тягового електродвигуна трамвая та його прискорювача.

Оскільки за даними Вінницького ТТУ тягові двигуни найчастіше виходять з ладу із-за пошкодження якоря, то його діагностування здійснено лише по стану ізоляції обмотки якоря.

Залишковий термін служби ізоляції (залишковий ресурс двигуна по стану ізоляції) запропоновано визначати з формули

, (1)

де Dн – термін служби ізоляції при номінальній незмінній температурі, я – розмір зміни температури обмотки якоря, t1 – тривалість зміни температури, Vt1 – використана за час t1 частина загального ресурсу, 1 – температура при t1, н – номінальна температура для даного класу ізоляції.

По обмотках якоря і обмотках додаткових полюсів протікає однаковий струм, при цьому їх охолодження здійснюється однаковим потоком повітря. Тому температуру обмотки якоря визначено по температурі обмотки додаткових полюсів.

Перевищення температури в момент часу t1 при нагріванні тіла

(2)

де  – встановлене перевищення температури, Т0 – постійна часу,  – початкове перевищення температури.

Перевищення температури обмотки якоря і температури додаткових полюсів в деякий момент часу є функцією від струму двигуна, інтенсивності охолодження Q і тривалості роботи:

(3)

(4)

Якщо розв’язати рівняння (4) відносно струму І й підставити отриманий вираз у рівняння (3), то отримаємо перевищення температури якоря тягового двигуна в залежності від перевищення температури обмотки додаткових полюсів для моменту часу t1:

(5)

Для отримання залишкового ресурсу електродвигуна необхідно підставити отриманий результат у рівняння (1).

Рівняння (1), (2), (3-5) і є математичною моделлю, яка дозволяє оцінити залишковий ресурс тягового двигуна по стану ізоляції обмотки якоря.

Основною проблемою роботи прискорювача трамвая є вихід з ладу його контактних пальців та блок-контактів.

Введемо позначення: Кі – замкнений і-ий контактний палець ();  –розімкнений і-ий контактний палець; Zi,j – стан блок-контакту з номером i,j (). Під станом Zi,j слід розуміти справний стан блок-контакту, тоді означає, що даний контакт знаходиться в несправному стані. уі,0 – вихідний сигнал, який відповідає несправному контактному пальцю Кі; уі,j – вихідний сигнал, який відповідає несправному блок-контакту Zi,j; уі(m) – вихідний сигнал, який відповідає несправному контактному пальцю Кm при замиканні контакту Кі, , mi;  – вихідний сигнал, який характеризує відповідність контактних пальців Кі та блок-контактів Zi,j робочій діаграмі.

Математична модель функціонування прискорювача трамвая, представлена в табл. , в якій  – кут, який визначає положення ізолюючого ролика, а математична модель оцінки технічного стану прискорювача має вигляд (6).

Таблиця 1

Математичний опис функціонування прискорювача трамвая

(6)

У третьому розділі синтезовані математичні моделі для оцінки рівня кваліфікації водіїв трамваїв.

Процес побудови моделей для оцінки рівня кваліфікації водіїв трамваїв починався з перевірки гіпотези нормальності статистичних даних.

Досліджено споживання електроенергії трамваями як за годину, так і на 1 км пробігу, в результаті чого встановлено, що споживання електроенергії трамваями на маршрутах підкоряється нормальному логарифмічному закону розподілу у вигляді

. (7)

При споживанні електроенергії трамваями за годину статистичні оцінки та довірчі інтервали для них мають значення (8) і (9) відповідно, а при споживанні електроенергії трамваями на 1 км – (10) і (11):

, (8)

; (9)

, (10)

, (11)

де w – конкретні значення споживання електроенергії трамваями ( – за годину, – на 1 км пробігу);  – середнє значення, дисперсія та середньоквадратичне відхилення відповідно.

Нормальність закону розподілу споживання електроенергії трамваями на маршрутах дало право для побудови моделей оцінки рівня кваліфікації водіїв трамваїв використовувати часові ряди й авторегресійні залежності.

Для дослідження вибрано двох водіїв “Ч” і „К”, трамваї яких за однаковий проміжок часу в середньому споживають відповідно мінімальну і максимальну кількості електроенергії: , . Для порівняння водіїв “Ч” та “К” не лише між собою, але й з “усередненим” по депо водієм “Д”, побудовано також математичну модель і “усередненого” водія депо “Д”, трамвай якого споживає електроенергію .

Встановлено, що споживання електроенергії “усередненим” трамваєм депо адекватно описується авторегресійною моделлю 6-го порядку у вигляді (12) з дисперсією білого шуму і трендом (13), споживання електроенергії трамваєм водія “Ч” – авторегресійною моделлю 4-го порядку у вигляді (14) з і трендом (15), споживання електроенергії трамваєм водія “К” – авторегресійною моделлю 4-го порядку у вигляді (16) з і трендом (17):

(12)

; (13)

(14)

(15)

(16)

. (17)

Синтезовані моделі дозволяють врахувати стохастичність споживання електроенергії трамваями, сезонність їх роботи та оцінювати рівень кваліфікації водіїв трамваїв.

У четвертому розділі синтезовані математичні моделі оцінок характеристик роботоздатності ФС трамваїв з використанням авторегресійних залежностей, що дозволяє враховувати заміну відмовленого елемента деякої системи новим або післяремонтним. Розроблений алгоритм реалізацій такого підходу, на основі якого синтезовані математичні моделі імовірності безвідмовної роботи та інтенсивності відмов основних ФС трамваїв:

(18)

; (19)

, (20)

де  – центрований часовий ряд відмов системи (),  – статистична оцінка середнього значення характеристики ,  – коефіцієнти авторегресії,  – імпульс білого шуму з дисперсією .

Розраховані числові значення характеристик роботоздатності основних ФС трамваїв.

Адаптовано алгоритм розрахунку запасних елементів для ФС трамвая без врахування імовірності відновлення систем. З використанням розробленого алгоритму визначено кількість запасних комплектів для гальмівної системи трамваїв. Запропоновано новий підхід до здійснення розрахунків запасних комплектів шляхом введення в розрахункові формули залежності від імовірності відновлення відмовлених систем:

, (21)

де  – середнє значення ЗЧ з пересторогою,  – потік відмов,  – імовірність відновлення ремонтним органом відновлених систем за час .

Розглянуто випадки з різними ймовірностями відновлення релейно-контакторної системи трамваїв.

Розраховано необхідні запасні комплекти основних ФС трамваїв.

У п’ятому розділі синтезовано структуру системи технічної діагностики тягового електричного двигуна на основі секвенційного апарату.

Рис. . Граф функціонування блоку обчислення залишкового ресурсу
системи діагностування електродвигуна

Граф функціонування блоку обчислення залишкового ресурсу системи діагностування електродвигуна має вигляд, зображений на рис. 1. Даному графу відповідає секвенційний опис, який після мінімізації приймає вигляд (22). При виконанні цього опису використано таке кодування: І1, І2 (І1<І2) – струми; t01, t02 (t01>t02) – температури; І1t01, І2t02 (І1t01<І2t02) – добуток струмів і температур; Т1-Т6 – тригери, які фіксують параметри І1, І2, t01, t02, І1t01, І2t02 відповідно; Т7-Т10 – тригери, за допомогою яких моделюється лічильник імпульсів обліку залишкового ресурсу; 1-12 – елементи затримки часу; S0-S28 – стани обчислювача ресурсу; Хi,j – узагальнена вхідна змінна; F* – вхідний сигнал; у – логічна вихідна змінна.

(22)

За отриманим секвенційним описом (22) розроблена структура системи технічної діагностики електродвигуна по стану ізоляції обмотки якоря (рис. ).

Рис. . Функціоналізована структурна схема системи діагностування електричного двигуна, реалізована на елементах, що випускаються серійно

1 – сенсор струму; 2, 16 – відповідно перший і другий АЦП; 3 – функціональний перетворювач; 4, 21 – відповідно перший і другий лічильники імпульсів; 5, 22, 27, 30 – відповідно перший, другий, третій і четвертий логічні елементи АБО; 6, 23 – відповідно перший і другий розподільники тактів; 7, 24 – відповідно перший і другий логічні елементи І; 8 – блок установки нуля; 9 – дільник частоти; 10, 25 – відповідно перший і другий генератори імпульсів; 11 – перетворювач напруги; 12 – задавач коду; 13 – задавач швидкості зміни температури; 14 – цифровий компаратор; 15 – диференціальний підсилювач; 17 – регістр з інверсними виходами; 18, 19 – перший і другий суматори відповідно; 20 – сенсор температури; 26 – задавач ресурсу двигуна; 28 – двійковий лічильник ресурсу; 29 – логічний елемент АБО-НІ; 31 – підсилювач сигналу.

Запропоновано варіанти реалізації системи технічної діагностики електродвигуна з використанням однокристальних мікропроцесорів КМ1816ВЕ51 та AT90S/LS8535.

Побудовано структурну схему функціонування системи діагностування прискорювача трамвая.

Введемо позначення: S – стан, в якому може перебувати система; Х – узагальнююча вхідна змінна. Символ “*” над прийнятими позначеннями означає, що даний параметр ще не ідентифіковано системою.

Рис. . Граф функціонування системи діагностування прискорювача трамвая

Стани, в яких може перебувати система при діагностуванні прискорювача трамвая, можуть бути представлені у вигляді графа, наведеного на рис. , на якому F – вхідний сигнал, який характеризує початок діагностування.

Математична модель процесу функціонування системи діагностування прискорювача трамвая має вигляд:

(23)

,

Побудована функціоналізована структурна схема системи діагностування прискорювача (рис. ), яка розроблена у відповідності з графом рис. та системою логічних рівнянь (23).

Рис. . Функціоналізована структурна схема системи діагностування прискорювача трамвая, реалізована на елементах, що випускаються серійно

1 – сенсор кута повороту ізолюючого ролика; 2 – НП; 3, 10, 21 – логічні елементи І; 4 – компаратор; 5, 19, 26 – індикатори; 6, 7  – сенсори потенціалів на контактних пальцях; 8, 16, 29 – функціональні блоки; 9 –ЦАП; 11 – аналоговий комутатор; 12 – підсилювач сигналу; 13 – логічний елемент НІ; 14 – мультиплексор; 15, 18, 25 – регістри; 17 – цифровий компаратор; 20, 22 – генератори імпульсів; 23 – лічильник імпульсів; 24 – дешифратор; 27, 28 – сенсори потенціалів на блок-контактах.

У додатках наведено моделі оцінок характеристик роботоздатності основних ФС трамваїв, результати розрахунків визначення резервів запасних комплектів для основних ФС трамваїв та акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

В результаті досліджень, здійснених по темі дисертаційної роботи, отримані наступні наукові і практичні результати.

У галузі теоретичних та експериментальних досліджень:

1. Встановлено, що існуючі математичні моделі та системи для оцінки технічного стану та відновлення функціональних систем засобів міського електротранспорту не в достатній мірі задовольняють потреби ТТУ, оскільки вони не враховують стохастичності процесів, які протікають в реальних умовах функціонування електротранспорту, фактору заміни відмовленого елемента системи новим або післяремонтним; імовірності відновлення ремонтним органом елементів, які вийшли з ладу, не дозволяють здійснити оцінку стану систем в процесі роботи електротранспорту.

2. Вперше обґрунтовано математичну модель, що дозволяє досліджувати зміни електричних і температурних параметрів обмотки якоря тягового електричного двигуна трамвая в залежності від температури обмотки додаткових полюсів. Отримана модель дозволяє визначити залишковий ресурс двигуна по стану ізоляції обмотки якоря.

3. Вперше синтезовані математичні моделі функціонування та оцінки технічного стану прискорювача трамвая.

4. Вперше досліджено, що споживання електроенергії трамваями Вінницького ТТУ підкоряється нормальному логарифмічному закону розподілу, що дає право при моделюванні функціональних систем трамваїв та їх характеристик роботоздатності використовувати авторегресійні моделі.

5. Вперше побудовані математичні моделі прогнозу споживання електроенергії трамваями на маршрутах з використанням авторегресійних моделей. Отримані моделі дозволяють врахувати стохастичність споживання електроенергії трамваями та сезонність їх роботи, а також рівень кваліфікації водіїв.

6. Вперше здійснено синтез математичних моделей оцінок характеристик роботоздатності основних функціональних систем трамваїв та алгоритм їх реалізації з використанням авторегресійних залежностей. Новий підхід, на відміну від існуючих, дозволяє врахувати заміни елементів, які вийшли з ладу в цих системах, та зміни умов їх функціонування.

7. Адаптовано алгоритм розрахунку запасних елементів для функціональних систем трамвая без врахування імовірності відновлення систем.

8. Вперше запропоновано новий підхід до здійснення розрахунків запасних комплектів, який, на відміну від існуючих, враховує імовірність відновлення відмовлених систем ремонтним органом. Запропонований підхід дозволяє визначити необхідну кількість запасних комплектів з пересторогою, яка є цілком виправданою. Розраховано необхідні запасні комплекти для основних функціональних систем трамваїв згідно нового підходу.

9. Вперше синтезовано структуру системи технічної діагностики тягового електричного двигуна з використанням розробленої секвенційної моделі, яка, на відміну від існуючих, враховує струм, температуру та швидкість зміни температури. Розроблена система діагностування дозволяє визначити залишковий ресурс двигуна по стану ізоляції обмотки якоря, а при недопустимих швидкостях зміни температури – вимкнути двигун з мережі або подати сигнал водію.

10. Вперше синтезовано структуру системи технічної діагностики прискорювача трамвая з використанням запропонованої логіко-математичної моделі. Розроблена система діагностування дозволяє контролювати стан прискорювача як на маршруті трамвая, так і при стендових його випробуваннях.

У галузі практичного використання:

1. Розроблено методику для прогнозу споживання електроенергії трамваями на маршрутах.

2. Розроблено методику та алгоритм для оцінки характеристик роботоздатності функціональних систем трамваїв.

3. Розроблено методику для розрахунку запасних комплектів основних функціональних систем трамваїв, удосконалену врахуванням додаткових умов, пов’язаних з відновленням систем, що вийшли з ладу.

4. Розроблені структурні схеми систем технічної діагностики тягового електричного двигуна та прискорювача трамвая.

5. Розроблені методики, алгоритм та структурні схеми діагностування прийняті для впровадження Вінницьким підприємством „Трамвайно-тролейбусне управління”.

6. Розроблені в роботі алгоритм побудови математичних моделей інтенсивності відмов й імовірності безвідмовної роботи, а також методика розрахунку запасних комплектів використовуються в навчальній дисципліні „Надійність та діагностика електричного обладнання”, яка читається у Вінницькому національному технічному університеті.

Математичні моделі та системи діагностування розроблені для умов роботи трамваїв у Вінницькому ТТУ, але легко адаптуються і до умов роботи трамваїв в ТТУ інших міст України.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Грабко В.В., Блінкін Є.Я., Розводюк М.П. Синтез структури ІВС для діагностування електродвигунів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2000. – №4. – С. –115.

2. Мокін Б.І., Розводюк М.П. Моделі оцінок роботоздатності функціональних систем трамваїв // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2001. – №6. – С. –98.

3. Дудко В.Б., Мокін Б.І., Розводюк М.П. Математичні моделі емпіричних законів розподілу споживання електроенергії трамваями // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2002. - № . – С. –46.

4. Дудко В.Б., Мокін Б.І., Розводюк М.П. Математичні моделі прогнозу споживання електроенергії трамваями на маршрутах // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2002. – № . – С. –44.

5. Розводюк М.П. Математичні моделі для визначення резервів запасних частин основних функціональних систем трамваїв // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2003. – № . – С. –28.

6. Дудко В.Б., Мокін Б.І., Розводюк М.П. Математичні моделі споживання електроенергії трамваями // Коммунальное хозяйство городов (Харьковская государственная академия городского хозяйства): Науч.-техн. сб. Вып. . – К.: “Техніка”, 2003. – С. –189.

7. Мокін Б.І., Розводюк М.П. Новий підхід до розрахунку запасних комплектів основних функціональних систем трамваїв // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2003. – №2. – С. –59.

8. Мокін Б.І., Розводюк М.П. Математична модель функціонування прискорювача трамвая // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2003. – №6. – C.72-76.

9. Мокін Б.І., Розводюк М.П. Моделі оцінок роботоздатності функціональних систем трамваїв // Тези доповідей VI Міжнародної науково-технічної конференції “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2001). – Вінниця: „УНІВЕРСУМ – Вінниця”, 2001. – С. .

10. Мокін Б.І., Розводюк М.П. Математична модель функціонування прискорювача трамвая // Тези доповідей VІI Міжнародної науково-технічної конференції “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2003). – Вінниця: „УНІВЕРСУМ – Вінниця”, 2003. – С. .

АНОТАЦІЯ

Розводюк М.П. Математичні моделі для вдосконалення методів оцінки стану та відновлення основних електротехнічних систем міських трамваїв. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – Електротехнічні комплекси та системи. – Вінницький національний технічний університет, Вінниця, 2004.

Дисертація присвячена розв’язанню задачі вдосконалення методів оцінки стану та відновлення основних електротехнічних систем трамваїв м. Вінниці шляхом побудови математичних моделей. Отримано математичну модель, яка дозволяє визначити залишковий ресурс тягового електродвигуна по стану ізоляції обмотки якоря. Синтезовано математичні моделі функціонування та оцінки технічного стану прискорювача трамвая. Досліджено процеси споживання електроенергії трамваями Вінницького ТТУ на маршрутах. Синтезовані математичні моделі оцінок характеристик роботоздатності функціональних систем трамваїв та алгоритм їх реалізації з використанням авторегресійних залежностей. Запропоновано новий підхід до здійснення розрахунків запасних комплектів шляхом введення в розрахункові формули залежності від імовірності відновлення відмовлених систем. Синтезовано структури систем технічної діагностики тягового електродвигуна та прискорювача трамвая.

Методи і технічні засоби пройшли лабораторну апробацію і прийняті для впровадження Вінницьким підприємством „Трамвайно-тролейбусне управління”. Здійснено впровадження результатів дисертаційної роботи в навчальний процес Вінницького національного технічного університету.

Ключові слова: електротехнічна система, оцінка стану, відновлення, система технічної діагностики, трамвай, математична модель.

АННОТАЦИЯ

Розводюк М.П. Математические модели для усовершенствования методов оценки состояния и восстановления основных электротехнических систем городских трамваев. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы. – Винницкий национальный технический университет, Винница, 2004.

Диссертация посвящена решению задачи усовершенствования методов оценки состояния и восстановления основных электротехнических систем трамваев г. Винницы путем построения математических моделей.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность работы; представлены сведения об апробации, публикациях и реализации работы.

Первый раздел посвящен анализу известных математических моделей оценки технического состояния и восстановления функциональных систем электротранспорта, что позволило определить основные недостатки существующих исследовательских работ в этом направлении, обусловлена необходимость их усовершенствования и разработки новых методов математического моделирования для оценки технического состояния и восстановления функциональных систем трамваев.

Во втором разделе обосновано математическую модель, которая способна определить остаточный ресурс тягового электродвигателя по состоянию изоляции его обмотки якоря.

Выбран и обоснован математический аппарат, адекватный процессу функционирования ускорителя трамвая, на основе которого синтезированы математические модели функционирования и оценки технического состояния данной системы.

В третьем разделе доказано, что потребление электроэнергии трамваями Винницкого ТТУ подчиняется нормальному логарифмическому закону распределения, что дало право для построения математических моделей прогноза потребления электроэнергии трамваями на маршрутах использовать авторегрессионные модели. Синтезированные модели учитывают стохастичность потребления электроэнергии трамваями и сезонность их работы, а также уровень квалификации водителей.

В четвертом разделе предложен новый подход к синтезу математических моделей оценок характеристик работоспособности функциональных систем трамваев и алгоритм его реализации с использованием авторегресссионных зависимостей. Синтезированы математические модели вероятности безотказной работы и интенсивности отказов основных функциональных систем трамваев. Новый подход учитывает замены элементов, которые вышли из строя в этих системах, и изменения условий их функционирования.

Адаптирован алгоритм расчета запасных элементов для функциональных систем трамваев без учета вероятности восстановления систем, на основе которого определено количество запасных комплектов для тормозной системы трамваев.

Предложен новый подход к осуществлению расчетов запасных комплектов путем введения в расчетные формулы зависимости от вероятности восстановления отказанных систем. По предложенному подходу расчет запасных комплектов ведется с предостережением, что является оправданным, поскольку оно вводиться в функции от вероятности восстановления и количества необходимых запасных комплектов. Рассчитаны необходимые запасные комплекты основных функциональных систем трамваев согласно новому подходу.

В пятом разделе в соответствии с секвенциальным аппаратом построен граф функционирования блока вычисления остаточного ресурса системы диагностирования тягового электродвигателя, выполнены и минимизированы секвенциоанальные описания графа. Разработана структурная схема системы диагностирования тягового электрического двигателя, которая определяет его остаточный ресурс по состоянию изоляции обмотки якоря, учитывая ток, температуру и скорость изменения температуры.

Построена структурная схема и граф функционирования системы диагностирования ускорителя трамвая. Синтезирована структура системы технической диагностики ускорителя по разработанной логико-математической модели. Система разрешает контролировать состояние ускорителя на маршруте трамвая и при стендовых его испытаниях.

Методы и технические средства прошли лабораторную апробацию и приняты для внедрения Винницким предприятием “Трамвайно-троллейбусное управление”. Осуществлено внедрение результатов диссертационной работы в учебный процесс Винницкого национального технического университета.

Ключевые слова: электротехническая система, оценка состояния, восстановление, система технической диагностики, трамвай, математическая модель.

ABSTRACT

MyhajloMathematical models for the improvement of evaluation methods of state and renewal of the main electro technical systems of the city trams. – Manuscript.

Thesis for obtaining the Ph. D. degree in engineering on speciality 05.09.03 – Electro technical complexes and systems. – Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, 2004.

Thesis is dedicated to the solving of the task of the improvement of the methods for evaluation of the state and renewal of the main electro technical systems of the Vinnytsia trams by means of the development of the mathematical models. There had been found the mathematical model, which allows to determine the residual resources of the traction motor according to the state of the armature winding insulation. There had been synthesized the mathematical models of the functioning and state evaluation of the tram accelerator. There had been researched processes of the Vinnytsia TTA trams electricity consumption on the routs. There had been synthesized the mathematical models evaluation of the working capacity characteristics of the trams systems and the algorithm of its realization with the usage of autoregressive dependencies. There had been suggested the new approach to making calculation of the set of the spare parts of the main tram functional systems by means of the application to the design formulas the dependence on possibility of the renewal failed systems. There had been synthesized the structures of the technical diagnostics systems of the traction motor and tram accelerator.

The methods and technical facilities had passed the laboratory approbation and accepted by Vinnytsia enterprise “Tram and Trolleybus Administration” for the introduction. There had been conducted the introduction of the results of the thesis to curriculum of Vinnytsia National Technical University.

Key words: electro technical system, state evaluation, renewal, system of the technical diagnostic, tram, mathematical model.

Підписано до друку 05.05.2004 р. Формат 29.742 ј

Наклад 100 прим. Зам. №2004-71

Віддруковано в комп’ютерному інформаційно-видавничому центрі
Вінницького національного технічного університету.

м. Вінниця, Хмельницьке шосе. 95. Тел.: 44-01-59