Improvement of the method of troubleshooting the causes of malfunctioning of electric locomotives using the MSUD-N diagnostic system

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В ходе эксплуатации электровозов серии ЭП1 возможно возникновение неисправностей силовых аппаратов и устройств, которые могут привести к нарушению графика движения поездов. Для предотвращения подобных случаев производится разработка, в том числе, технических мероприятий, но в большинстве случаев они оказываются неэффективными, т.к. электровоз имеет достаточно сложное устройство, и взаимодействие систем в нем организовано на высоком техническом уровне. Встроенная система диагностики призвана помочь в разработке мероприятий, направленных на повышение технической надежности локомотивов. Но, опираясь на имеющиеся руководства по ремонту и эксплуатации для данной серии локомотивов, особенно у молодых специалистов ответственных за расшифровку параметров работы систем электровоза, возникают сложности в понимании и интерпретации данных, полученных в результате анализа файлов поездки. Например, в руководстве по техническому обслуживанию (ТО) и текущему ремонту (ТР) электровозов серии ЭП1 отмечена необходимость использовать встроенные системы диагностики и на основании полученных данных включать в цикл работ дополнительные мероприятия, но не указан алгоритм действий по устранению неисправности и не указаны их возможные примеры. Усовершенствование метода поиска возникшей неисправности, определение необходимого алгоритма расшифровки файлов поездки, накопление и использование полученного опыта в дальнейшем позволит более эффективно использовать встроенную систему диагностики для предотвращения возникновения неисправностей на линии, а также даст возможность быстрее находить причину неисправности, что приведет к снижению простоя электровоза в неэксплуатируемом парке.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ И РЕМОНТЕ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Повышение надежности подвижного состава – мировой тренд в железнодорожной отрасли. Низкий уровень надежности локомотивов приводит к простоям при внеплановом ремонте, штрафам для ОАО «РЖД» и убыткам для производителей локомотивов [1, 2]. Отсутствие полной и объективной статистической информации о причинах неисправностей является одной из основных причин низкой эксплуатационной надежности. Установление причин отказа оборудования носит формальный подход, что приводит к тому, что локомотивы быстро возвращают в эксплуатацию, без должного анализа причин. При ТО и ТР в актах выполненных работ по ремонту указывается только устранение основной выявленной неисправности, но не указывается ее причина, что приводит к повторным отказам. Из-за внеплановых простоев фактическое время работы локомотивов не превышает 30% от годовой нормы. При этом часто отсутствует фиксация времени ожидания внепланового ремонта, транспортировки локомотива к месту осмотра, сам осмотр, предшествующие ремонту [3–6].

Проблему низкой надежности локомотивов предлагается решать, используя в дополнение к существующей системе планово-предупредительных ремонтов предиктивный ремонт, суть которого заключается в выявлении и предупреждении отказов на ранней стадии, используя современные средства диагностирования и мониторинга, включая бортовые системы. В новой системе управления надежностью учитывается не только интенсивность отказов, но и объем, и стоимость сверхцикловых работ. Развитие систем диагностирования и мониторинга, усиливает роль предиктивного ремонта, внедрение которого позволяет выявлять и устранять неисправности на ранней стадии, избегать дорогостоящих внеплановых ремонтов и сократить время простоев локомотивов на линии, что в свою очередь сократит число отказов и внеплановых заходов в депо, затраты на вызов вспомогательного локомотива, исключит оплату штрафов. Для этого необходимы разработка и совершенствование соответствующих алгоритмов определения дополнительных сверхцикловых работ ТО и ТР локомотивов [7–11].

При установлении причин неисправностей на электровозах серии ЭП1 используется микропроцессорная система управления (МСУ) и диагностики оборудования электровозов МСУД-Н, которая имеет набор датчиков для оперативной диагностики [12–17], дисплейный модуль с органами управления – для передачи и получения информации, GPRS-канал – для обмена информацией с централизованным сервером, встроенный жесткий диск дисплейного модуля используется в качестве встроенного запоминающего устройства [18, 19]. Возможность микропроцессорной системы управления своевременно предупреждать локомотивные бригады о возникших проблемах явилась основой для разработки методов диагностирования локомотивов. МСУД-Н позволяет снизить время простоя локомотива в неисправном состоянии, а накопление и систематизация данных позволяет ускорить процесс выявления неисправностей благодаря следующим возможностям МСУД-Н:

• Система отслеживает электрические параметры в цепях электровоза, срабатывание исполнительных аппаратов, оповещает о выявленных отклонениях в работе оборудования, что позволяет сократить время поиска неисправностей и восстановления работоспособности электровоза.
• Данные о состоянии оборудования можно накапливать и хранить в памяти энергонезависимого съемного накопителя информации системы, а затем считывать их с помощью переносных flash-накопителей или дистанционно через беспроводные сети.
• Система позволяет отслеживать несколько сотен различных параметров и режимов работы локомотивного оборудования, что делает возможным обслуживать локомотив с учетом его фактического технического состояния.
• Применение статистических методов при анализе данных об истории работы узлов и датчиков системы, а также о выполненных ремонтных работах, повышает точность диагностирования и облегчает назначение работ по устранению выявленных замечаний.
• Система обеспечивает выполнение графика движения с расчетом траектории движения, рациональной по расходу электроэнергии на тягу за счет возможности вести поезда в режиме «Автоведение».
• Способность определять координату и передавать данные в системах ГЛОНАСС/GPS и GSM [3, 20–23].

Несмотря на наличие современных бортовых МСУ, их диагностический потенциал используется не в полной мере. Полный переход на диагностику по данным МСУ пока нецелесообразен из-за технических ограничений датчиков и высокой стоимости расширения их диагностических возможностей [10]. Опыт эксплуатации показывает, что имеющегося набора диагностических сообщений МСУД-Н и алгоритмов диагностики недостаточно для полноценного обслуживания и ремонта. Хотя графическое представление параметров МСУД-Н полезно для анализа единичных случаев, ручной анализ больших объемов информации для текущего мониторинга технического состояния затруднителен и требует высокой точности, а также выполнения монотонных операций. Имеющиеся теоретические наработки не всегда применимы к реальному процессу диагностирования, учитывая ограниченный набор диагностических параметров и реальные режимы работы локомотивов. Поэтому задачей исследования является разработка усовершенствованных алгоритмов диагностирования технического состояния электровозов серии ЭП1 на основе данных, получаемых из системы МСУД-Н. Эти алгоритмы должны основываться на статистической обработке результатов наблюдения за работой локомотива. Другими словами, необходимо найти способы эффективно использовать имеющиеся данные МСУ для более точной и своевременной диагностики неисправностей [21].

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО МЕТОДА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ НА ЭЛЕКТРОВОЗАХ СЕРИИ ЭП1

Для точного определения вида и места локальной неисправности предлагается усовершенствование метода поиска причин неисправности в режимах рекуперативного торможения и тяги на электровозах серии ЭП1 с использованием встроенной системы диагностики МСУД-Н на примере описания трех видов неисправностей – при эксплуатации локомотива, при анализе файла поездки и после проведенного осмотра.

Для оценки данного метода рассматриваются два основных режима работы электровоза серии ЭП1: тяга и рекуперативное торможение. В большинстве случаев перечень дополнительных работ при проведении сервисного обслуживания определяется только на основании замечаний машинистов, сделанных в журнале технического состояния локомотива формы ТУ-152. При этом велика вероятность, что на основании только этой записи трудно определить причину возникшей неисправности, т.к. ее описание, сделанное локомотивной бригадой в ходе эксплуатации, может нести в себе крайне мало информации. В таких случаях только специалист, имеющий многолетний опыт работы при ТО и ТР данной серии локомотивов сможет достаточно оперативно и четко определить причину возникшей неисправности, а менее опытный работник будет последовательно рассматривать все узлы, агрегаты и аппараты, находящиеся в данной системе, на что ему понадобится значительно больше времени. Необходимо отметить, что на все линейное подразделение как правило, имеется несколько опытных работников, а приписной парк данных локомотивов может превышать значения в 100 единиц. При этом техническое обслуживание и ремонт ограничены по времени и необходимо организовать бесперебойную выдачу готовых локомотивов в эксплуатацию. Это приводит к устранению неисправности при ТО и ТР, а не ее причины и данная проблема переходит в статус повторяющихся.

Для понимания важности рассматриваемой проблемы необходимо привести реальные примеры отказов, возникших на электровозе серии ЭП1. На электровозе может не работать рекуперация (рекуперативное торможение) из-за неисправностей в схемах или сбоев в работе оборудования:

• Неустойчивость при боксовании. При параллельном соединении якорей тяговых электродвигателей (ТЭД) схема может прийти в состояние, когда один ТЭД работает как двигатель, питаясь от другого, работающего как генератор, что снижает эффективность торможения. Для решения проблемы необходимо включение обмоток возбуждения крест-накрест от «чужого» ТЭД.
• Скачки напряжения в контактной сети. Вблизи «скорости нейтрали» даже небольшие скачки напряжения вызывают рывки из-за резких изменений разности между скоростью и «скоростью нейтрали». Необходимо правильное проектирование схемы электровоза.

Также причинами неработоспособности рекуперации являются:

• Перегрузка цепи возбуждения ТЭД: срабатывает реле перегрузки.
• Короткое замыкание цепи якорей ТЭД: отключаются быстродействующие выключатели.
• Перегрузка блока резисторов: срабатывают реле контроля напряжения.
• Срабатывание защиты от кругового огня: включаются реле контроля напряжения.
• Отключение электродвигателей системы охлаждения блока резисторов и тягового трансформатора: отключается контактор, отключающий схему рекуперативного торможения [24–28].

Информация о возможных проблемах и неисправностях, которые могут повлиять на работу рекуперативного торможения на электровозах, подчеркивает важность как правильной схемотехники, так и наличия надежных систем защиты для обеспечения безопасной и эффективной работы системы рекуперации.

Для выявления причин неисправности системы рекуперации используют автоматизированную систему мониторинга эффективности применения рекуперативного торможения, определяющую низкий уровень удельной рекуперации. При возникновении неисправности, описанной в журнале технического состояния локомотива ТУ-152: «Не работает рекуперация», работниками сервисного депо производится осмотр электрической схемы, аппаратов и силовых установок, которые находятся в системе рекуперативного торможения. В ходе проверки несоответствия не выявлены – при проверке работы схемы рекуперативного торможения при скорости 0 км/ч схема работает в штатном режиме. Локомотив выдается в эксплуатацию, где после последующих поездок машинисты фиксируют замечания о том, что рекуперативное торможение не работает. Для определения причины возникшей проблемы необходимо пересмотреть алгоритм определения причин неисправности, добавив элементы «Расшифровка МСУД-Н» и «Описание/анализ параметров».

Согласно приведенному алгоритму (Рис. 1) параллельно с расшифровкой файла поездки МСУД-Н просматривается журнал технического состояния локомотива формы ТУ-152 на предмет наличия замечаний машиниста о неисправной работе системы электровоза, после чего делается их краткое описание: При анализе фрагмента № 1 файла поездки МСУД-Н (Рис. 2) зафиксировано отсутствие тока возбуждения при работе 1-го и 2-го тяговых электродвигателей в режиме рекуперативного торможения с дальнейшим срабатыванием реле панели защиты от кругового огня ПЗКО-583 сх. А16 в блоке силовых аппаратов № 1.

 

Рис. 1. Алгоритм определения причин неисправности на электровозах серии ЭП1 с применением встроенной системы диагностики МСУД-Н

Fig. 1. Algorithm for determining the causes of malfunctions on EP1 electric locomotives using the built-in MSUD-N diagnostic system

 

Рис. 2. Фрагмент №1 файла поездки до приведения силовой схемы электровоза к штатной форме

Fig. 2. Fragment №. 1of trip file before the power circuit of the electric locomotive was brought to its standard form

 

Далее определяются неисправности системы рекуперативного торможения электровоза. Производится осмотр узлов и деталей, которые находятся в ее составе: блок балластных резисторов, блок диодов, выпрямительная установка, панель шунтирующих тиристоров и электрическая цепь ослабления возбуждения, блок силовых аппаратов № 1 и № 2, монтаж силовых кабелей. После отключения всех разъединителей QS11-QS13 блока силовых аппаратов № 1 с помощью мультиметра неисправность обнаружена в цепи ослабления возбуждения 1-го и 3-го тяговых электродвигателей: было выявлено, что между выводами В115 и В315 индуктивных шунтов L11 и L13, присутствовало электрическое соединение непредусмотренное штатной электрической схемой электровоза серии ЭП1 (Рис. 3).

 

Рис. 3. Ошибка в подключении силовых кабелей В315 и В111 на индуктивных шунтах L11 и L13

Fig. 3. Error in connecting the power cables of B315 and B111 on the inductive shunts L11 and L13

 

Следующий этап – устранение неисправности. После приведения электрической схемы электровоза к штатному состоянию (Рис. 4) локомотив направляется в контрольную поездку, в течение которой производится расшифровка файлов данной поездки (Рис. 5) и делается заключение об устранении неисправности с фиксацией результата в базе данных МСУД-Н.

 

Рис. 4. Электрическая схема локомотива в соответствие со штатным подключением силовых кабелей

Fig. 4. The electrical diagram of the locomotive is in accordance with the standard connection of the power cables

 

Рис. 5. Фрагмент №2 файла поездки после приведения силовой схемы электровоза к штатной форме

Fig. 5. Fragment №2 of the trip file after the electric locomotive’s power circuit is restored to its standard form

 

При первой расшифровке файла выявлена закономерность: ток возбуждения 1-го и 2-го ТЭД в режиме рекуперативного торможения равняется 0А, что приводило к срабатыванию реле на панели защиты от кругового огня ПЗКО-583. Данная неисправность проявляется только при следовании поезда в режиме движения. При этом электровоз недавно был введен в эксплуатацию после проведенного капитального ремонта в условиях локомотиворемонтного завода. В результате анализа изложенных фактов можно сделать заключение, о том, что необходимо искать ошибку в схеме силового монтажа, которая была заложена в ходе проведения капитального ремонта. При анализе силовой схемы электровоза достаточно быстро было найдено возможное место ошибки. После приведения силовой схемы электровоза к штатному монтажу данная неисправность была устранена. Таким образом, ввиду неиспользования встроенной системы диагностики МСУД-Н при первых попытках устранения неисправности и из-за некорректного описания проблемы в журнале технического состояния локомотива формы ТУ-152 электровоз находился в эксплуатации с неисправной системой рекуперативного торможения.

Любой процесс или алгоритм может быть усовершенствован, т.к. это связано с понятием непрерывного улучшения. Поэтому в следующем примере неисправности в режиме рекуперативного торможения предлагается усовершенствовать алгоритм (Рис. 6), изложенный на Рис. 1.

 

Рис. 6. Усовершенствованный алгоритм определения причин неисправности на электровозах серии ЭП1 с применением встроенной системы диагностики МСУД-Н

Fig. 6. Improved algorithm for determining the causes of malfunctions on EP1 electric locomotives using the built-in MSUD-N diagnostic system

 

Следуя действиям, изложенным в усовершенствованном алгоритме (Рис. 6) на основании файла поездки МСУД-Н машинистом в журнале технического состояния локомотива формы ТУ-152 делается описание неисправности: «При использовании рекуперации при токе возбуждения 700А низкая эффективность торможения». При анализе фрагмента файла поездки МСУД-Н фиксируется уменьшение тока возбуждения 2-го и 5-го тягового электродвигателя типа НБ-520В относительно остальных двигателей в режиме рекуперативного торможения (Рис. 7).

 

Рис. 7. Фрагмент №3 файла поездки до приведения силовой схемы электровоза к штатной форме

Fig. 7. Fragment №3 of the trip filebefore the electric locomotive’s power circuit is brought to its standard form

 

В алгоритме (Рис. 6) присутствует логический блок «Если»: «Есть сходство с неисправностью из базы данных». При утверждении «Да» – производится переход к блоку «Локализация неисправности», если ответ «Нет», необходимо перейти к блоку «Определение места неисправности/осмотр локомотива» и далее к блоку «Узлы и детали, подлежащие осмотру». В данном случае наблюдается сходство с предыдущим случаем, поэтому минуя блоки «Определение места неисправности/осмотр локомотива», «Узлы и детали, подлежащие осмотру» переходим к блоку «Локализация неисправности», где определяем, что неисправность находится в системе рекуперативного торможения в панели шунтирующих тиристоров и электрической цепи ослабления возбуждения. В ходе осмотра силовой электрической схемы электровоза была выявлена ошибка в подключении кабелей идущих от выводов панелей тиристоров ПТ-246 в БСА№1 и БСА№2 А1 и А3 соответственно (Рис. 8). После приведения силовой схемы электровоза к стандартному монтажу (Рис. 4) данная неисправность была устранена, что подтверждает расшифрованный файла № 4 контрольной поездки (Рис. 9).

 

Рис. 8. Ошибка в подключении силовых кабелей, идущих от выводов А1 и А3 панелей тиристоров ПТ-246

Fig. 8. Error in connecting the power cables coming from the A1 and A3 terminals of the PT-246 thyristor panels

 

Рис. 9. Фрагмент №4 файла поездки после приведения силовой схемы электровоза к штатной форме

Fig. 9. Fragment №4 of the trip file after the electric locomotive’s power circuit is brought back to its standard form

 

Таким образом, при расшифровке файла поездки была выявлена схожесть данной неисправности в режиме рекуперативного торможения с неисправностью, изложенной в первом примере. Поэтому алгоритм, изложенный на Рис. 1, усовершенствован путем добавления блока сравнения неисправности с уже расследованным случаем (Рис. 6).

Данный алгоритм позволяет эффективно определять причины неисправности не только в режиме рекуперативного торможения, а также в режиме тяги. Для этого необходимо рассмотреть еще один пример неисправности, выявленной в ходе эксплуатации электровоза серии ЭП1.

В январе и в июле 2025 г. на двух электровозах серии ЭП1 диагностировали одну и ту же неисправность в тяговом электродвигателе пульсирующего тока типа НБ-520В. В январе 2025 г. при анализе фрагмента №5 файла поездки электровоза ЭП1 фиксируется снижение тока якоря 4-го ТЭД относительно других (Рис. 10). Данное снижение тока фиксируется только в момент разгона электровоза.

 

Рис. 10. Фрагмент №5 файла поездки случая неисправности тягового электродвигателя НБ-520В в январе 2025

Fig. 10. Fragment №. 5 of the trip file of the NB-520V traction electric motor malfunction in January 2025

 

После набора скорости ток якоря данного электродвигателя выравнивается. При замерах сопротивления изоляции обмоток ТЭД относительно корпуса значения соответствовали установленным нормам. В ходе осмотра тягового электродвигателя на ремонтной позиции были выявлены следы термического повреждения петушков коллектора с дальнейшим нарушением целостности их сварки с выводами катушек якоря и уравнителей (Рис. 11).

 

Рис. 11. Неисправность тягового электродвигателя НБ-520В

Fig. 11. Faulty NB-520V traction electric motor

 

В июле 2025 г. при расшифровке фрагмента № 6 файла поездки МСУД-Н (Рис. 12) было выявлено снижение тока якоря 5-го тягового электродвигателя относительно остальных ТЭД на 10% в момент начала движения локомотива с поездом, но после набора скорости показания тока якоря выравнивались.

 

Рис. 12. Фрагмент №6 файла поездки случая неисправности тягового электродвигателя НБ-520В допущенного в июле 2025 г.

Fig. 12. Fragment № 6 of the trip file of the NB-520V traction electric motor malfunction that occurred in July 2025

 

В рамках данного алгоритма было выявлено сходство данной неисправности со случаем неисправности, определенной в январе 2025 г. На основании этого локомотив был установлен на ремонтную позицию, где в ходе проведения осмотра были выявлены следы термического повреждения изоляции петушков коллектора с дальнейшим нарушением целостности их сварки с выводами катушек якоря и уравнителей (Рис. 13). Таким образом, использование данного алгоритма дает возможность оперативно определить место неисправности и не допустить выдачу неисправного локомотива на линию.

 

Рис. 13. Неисправность тягового электродвигателя НБ-520В, допущенная в июле 2025 г.

Fig. 13. Faulty NB-520V traction electric motor, detected in July 2025

 

Учитывая вышесказанное, применение предлагаемого алгоритма позволяет избежать ошибок, которые могут повлечь за собой увеличение времени простоя локомотива в неэксплуатируемом парке, и как следствие эксплуатационных расходов, т.к. замена тягового электродвигателя – процесс трудоемкий и дорогостоящий. Фиксация и систематизация всех случаев неисправностей позволит не допускать ошибок в определении причин неисправности. В ходе рассмотрения реальных примеров выявления отказов в режимах рекуперативного торможения и тяги на электровозах серии ЭП1 стало возможным создание оптимального алгоритма поиска причин неисправностей с добавлением блока сравнения неисправностей с уже зафиксированными и занесенными в базу данных. Данный подход в диагностировании причин неисправностей позволит сократить время простоя локомотива в неэксплуатируемом парке, также позволит исключить выдачу электровоза в эксплуатацию с неисправным оборудованием, что в свою очередь уменьшает риск возникновения отказа этого оборудования на линии. Этот способ позволит молодым специалистам диагностики накапливать опыт и наиболее точно определять причину возникшей неисправности. Чтобы добиться максимальной эффективности в использовании данного метода необходимо выделить для этого специалиста, прошедшего специальное обучение, в обязанности которого будут входить только проведение мероприятий по диагностике рабочих систем электровозов серии ЭП1. Данный аспект может оказаться отрицательным, т.к. исключает возможность оптимизации рабочих мест. Однако эта мера даст возможность значительно повысить уровень безопасности движения и надежности при работе ЭПС. В ближайшей перспективе для развития данного метода существует возможность использования портативных планшетов, в памяти которых можно хранить необходимую нормативную документацию, программу для расшифровки файлов поездки, а также при разработке специального приложения открывается возможность создания базы данных в режиме реального времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Высокий диагностический потенциал бортовых микропроцессорных систем управления электровозов важно использовать для улучшения обслуживания и ремонта, а также повышения надежности локомотивов. МСУ могут выявлять предотказные состояния оборудования, что позволяет переходить к «предиктивному ремонту» – ремонту по фактическому состоянию. Постепенный переход на предиктивный ремонт даст возможность сократить затраты на неплановое обслуживание, уменьшить время диагностирования за счет заблаговременного определения неисправностей до захода локомотива в депо. Применение математического анализа и статистики за счет более полного использования информационного потенциала МСУД-Н позволит осуществлять прогнозирование работоспособности оборудования локомотивов, выявление опасных тенденций и принятие предиктивных мер.

Для дальнейшего повышения надежности электровозов серии ЭП1 и улучшения их технического состояния необходимо организовать непрерывный текущий мониторинг технического состояния и режимов эксплуатации электровозов серии ЭП1 по данным МСУД-Н с передачей данных в режиме онлайн в сервисные предприятия для предварительного планирования работ, ресурсов и совершенствования методов ТО и ТР, выявления отказов и предотказных состояний в реальном времени [29]. Необходима доработка системы ТО и ТР для повышения оперативности и точности диагностирования в депо, усиление контроля на линии с использованием средств автоматизации для поддержания надежности локомотивов. Переход к более современным и эффективным методам обслуживания и ремонта электровозов, основанным на данных МСУ и принципах предиктивного ремонта, требует, как технических изменений систем мониторинга, так и внедрение новых методов анализа данных.

Авторы заявляют что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The authors state that:

1. They have no conflict of interest;
2. This article does not contain any studies involving human subjects.

About the authors

Elena L. Ryzhova

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Author for correspondence.
Email: elena-astanovskaja@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-7984-2558
SPIN-code: 1880-3372

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor

Russian Federation, St. Petersburg

Vladislav Yu. Osipov

Saratov – Passenger Operational Locomotive Depot

Email: osipov.power@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0009-4566-3274
SPIN-code: 9408-0251

leading technologist

Russian Federation, Saratov

References

Supplementary files