В.А. Четвергов, С.М. Овчаренко, В.Ф. Бухтеев

ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА
ЛОКОМОТИВОВ
Под редакцией В.А. Четвергова
Допущено
Федеральным агентством железнодорожного транспорта
в качестве учебного пособия для студентов вузов
железнодорожного транспорта

Москва
2014

1

ÓÄÊ 629.41:658.58

À â ò î ð û: ââåäåíèå, ãë. 2 — В.А. Четвергов; ãë. 1—4, 6, 7 — С.М. Овчаренко;
ãë. 5 — В.Ф. Бухтеев
Ð å ö å í ç å í ò û: ïðåçèäåíò ÄÂÃÓÏÑà, çàâ. êàôåäðîé «Òåïëîâîçû è òåïëîâûå äâèãàòåëè», ä-ð òåõí. íàóê, ïðîô В.Г. Григоренко; ïðîô. êàôåäðû «Òåïëîâîçû è òåïëîâûå äâèãàòåëè» ÄÂÃÓÏÑà, ä-ð òåõí. íàóê, äîöåíò А.Ю. Коньков;
íà÷àëüíèê ñåêòîðà ÍÊ è ÒÄ îòäåëà ÒÏ Ïðîåêòíî-êîíñòðóêòîðñêîãî áþðî
ëîêîìîòèâíîãî õîçÿéñòâà — ôèëèàëà ÎÀÎ «ÐÆÄ» В.В. Андрейченко

Четвергов В.А., Овчаренко С.М., Бухтеев В.Ф.
Òåõíè÷åñêàÿ äèàãíîñòèêà ëîêîìîòèâîâ: ó÷åáíîå ïîñîáèå /
Ïîä ðåä. Â.À. ×åòâåðãîâà. — Ì.: ÔÃÁÎÓ «Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèé
öåíòð ïî îáðàçîâàíèþ íà æåëåçíîäîðîæíîì òðàíñïîðòå», 2014. —
371 ñ.
ISBN 978-5-89035-752-6
Ðàññìàòðèâàþòñÿ âîïðîñû îðãàíèçàöèè äèàãíîñòèðîâàíèÿ òåõíè÷åñêèõ ñèñòåì ïðèìåíèòåëüíî ê ëîêîìîòèâàì. Ïðèâåäåíû îñíîâíûå ïîíÿòèÿ òåîðèè èíôîðìàöèè, èñïîëüçóþùèåñÿ äëÿ öåëåé äèàãíîñòèðîâàíèÿ,
ðàñ÷åòû äîñòîâåðíîñòè äèàãíîñòèðîâàíèÿ, îñòàòî÷íîãî ðåñóðñà êîíòðîëèðóåìûõ óçëîâ, ýôôåêòèâíîñòè äèàãíîñòèðîâàíèÿ, îïòèìàëüíîé ïåðèîäè÷íîñòè äèàãíîñòè÷åñêèõ îïåðàöèé. Áîëüøîå âíèìàíèå óäåëåíî ìåòîäàì è ñðåäñòâàì êîíòðîëÿ òåõíè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ óçëîâ è ñèñòåì òåïëîâîçà, à òàêæå òåõíîëîãè÷åñêèì ïðîöåññàì èõ èñïîëüçîâàíèÿ ñ ó÷åòîì
ñïåöèôèêè óñòðîéñòâà, ýêñïëóàòàöèè è ðåìîíòà ëîêîìîòèâîâ.
Ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ ñòóäåíòîâ âóçîâ, îáó÷àþùèõñÿ ïî ñïåöèàëüíîñòè
190300 «Ïîäâèæíîé ñîñòàâ æåëåçíûõ äîðîã», à òàêæå ìîæåò áûòü ïîëåçíî
äëÿ èíæåíåðíî-òåõíè÷åñêèõ ðàáîòíèêîâ æåëåçíîäîðîæíîãî òðàíñïîðòà.
ÓÄÊ 629.41:658.58

ISBN 978-5-89035-752-6

2

© ×åòâåðãîâ Â.À., Îâ÷àðåíêî Ñ.Ì.,
Áóõòååâ Â.Ô., 2014
© ÔÃÁÎÓ «Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèé öåíòð
ïî îáðàçîâàíèþ íà æåëåçíîäîðîæíîì
òðàíñïîðòå», 2014

Введение
Значение железнодорожного транспорта в экономике государ
ства, особенно с такой огромной территорией, как у России, ис
ключительно велико. Эффективность функционирования желез
нодорожной отрасли и степень удовлетворения ею потребностей в
перевозке грузов и пассажиров при соблюдении требований без
опасности движения определяется уровнем надежности локомотив
ного парка.
Основные функциональные параметры качества локомотива —
мощность, усилие тяги, скорость, удельный расход энергии или
топлива, потенциальный уровень надежности — закладываются на
стадии создания при проектировании и изготовлении. На стадии
эксплуатации заложенный ресурс работоспособности расходуется
под действием рабочих нагрузок и конкретных условий использо
вания. Для поддержания и восстановления расходуемой работо
способности и надежности локомотивов служит система их техни
ческого обслуживания и ремонта.
Таким образом, надежность является тем важным звеном, кото
рое связывает все стадии единого жизненного цикла локомотива
от проектирования до списания. При этом на каждой стадии спе
циалистами решаются специфические задачи надежности, которые
изложены в учебнике «Надежность локомотивов», изданном в 2003 г.
[17]. Вопросы технологического обеспечения мероприятий по пре
дупреждению отказов локомотивов в ходе технического обслужи
вания и восстановления отказавших узлов и деталей изложены в
учебнике «Техническое обслуживание и ремонт локомотивов» под
редакцией В.А. Четвергова, В.И. Киселева, изданном в 2008 г.
Система технического обслуживания и ремонта предполагает не
только использование современных эффективных технологических
процессов восстановления работоспособности и исправности уз
лов и деталей при технических обслуживаниях и ремонтах, но и
предупреждение отказов в межремонтные периоды. Такая систе
3

ма должна располагать методами и средствами, с помощью кото
рых можно обоснованно решать вопросы: каково техническое со
стояние узлов локомотива, что ремонтировать, когда ремонтировать,
каков остаточный ресурс и т.п. На эти вопросы могут дать ответы
соответствующие методы диагностирования. Поэтому важнейшим
элементом системы технического обслуживания и ремонта совре
менных локомотивов является комплекс способов и технических
средств диагностирования их узлов и агрегатов.
Создаваемые и уже эксплуатируемые локомотивы последнего
поколения отличаются не только высокими потенциальными по
казателями мощности, скорости, производительности, но и слож
ностью конструкции и взаимодействия элементов, высоким уров
нем автоматизации всех процессов функционирования, а также
интенсивностью режимов работы.
При ремонте более ранних типов локомотивов (паровозов, пер
вых серий тепловозов и электровозов) использовали довольно про
стые методы неразрушающего контроля и способы браковки де
талей. В последние десятилетия одновременно с ростом сложно
сти локомотивов совершенствовались и методы анализа техничес
кого состояния элементов сложных систем и их взаимодействия
с использованием достижений в области создания датчиков, спо
собов записи различных сигналов, методов информатики и вы
сокопроизводительной вычислительной техники. На этой базе
сформировалось научное направление, а потом и учебная дисцип
лина — диагностика технических систем, в том числе и диагнос
тика локомотивов.
В соответствии с действующим учебным планом студенты ло
комотивной специальности изучают две дисциплины этого науч
ного направления: «Основы технической диагностики» и «Техниче
ское диагностирование локомотивов». Если в части теоретических
основ диагностики в настоящее время уже имеются монографии,
учебные пособия и даже учебники, то по техническому диагности
рованию локомотивов методическое обеспечение практически от
сутствует. Поэтому настоящий учебник является первой попыткой
системно изложить с возможным соблюдением методических тре
бований и принципов имеющийся материал и опыт внедрения ме
тодов, технических средств и технологий диагностирования узлов
и агрегатов локомотивов. Названные обстоятельства определили
содержание и структуру учебника, являющегося третьим, замыка
4

ющим звеном триады учебников по проблеме обеспечения надеж
ности и устойчивости перевозочного процесса.
В первой главе, посвященной теоретическим основам диагнос
тики технических систем, рассмотрены методы распознавания, ма
тематические модели, используемые в теории информации и дру
гие теоретические вопросы, необходимые для моделирования из
менения параметров узлов и агрегатов технических систем как
объектов диагностирования, а также для разработки моделей самих
технологических процессов диагностирования. Приведены также
принципы построения алгоритмов поиска неисправностей, спо
собы оценки достоверности диагностирования, прогнозирования
изменения состояния объекта и расчета периодичности проведе
ния диагноза.
Вторая глава посвящена обоснованию той роли, которую долж
но играть диагностирование в системе технического обслуживания
и ремонта локомотивов как важнейшем элементе единого жизнен
ного цикла, предназначенном для восстановления работоспособ
ности локомотива, т.е. управления надежностью в эксплуатации.
Здесь проведен подробный анализ локомотива и его основных уз
лов и агрегатов как объектов диагностирования с учетом специфи
ческих условий эксплуатации.
В третьей главе приведена классификация средств диагностиро
вания и рассмотрены основные методы оценки технического состо
яния узлов и систем локомотивов.
Четвертая глава посвящена вопросам диагностирования тепло
возного дизеля — основного узла тепловоза, источника энергии.
В этой главе предпринята попытка охватить наиболее распростра
ненные методы оценки технического состояния как дизеля в це
лом, так и его отдельных узлов.
В пятой главе рассмотрены вопросы диагностирования электри
ческого оборудования, в состав которого входят электрические ма
шины, электрические аппараты и электрические цепи.
Шестая и седьмая главы посвящены вопросам диагностирова
ния механической части и вспомогательного оборудования тепловоза.
При написании учебника использовались материалы ранее из
данных работ специалистов в области теории диагностики и разра
ботчиков методов и средств диагностирования локомотивов И.А. Бир
гера, А.В. Мозгалевского, Д.В. Гаскарова, З.Г. Гиоева и других авто
ров, приведенных в списке рекомендуемой литературы.
5

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ
ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
1.1. Задачи технической диагностики
Технический прогресс связан с усложнением конструкции и по(
вышением уровня решаемых задач, перекладываемых человеком на
технические средства. Как показывает опыт, скорость развития тех(
ники и технологий со временем увеличивается по экспоненциаль(
ному закону. Совсем недавно основным видом тяги на железнодо(
рожном транспорте была паровозная. В настоящее время разрабо(
таны конструкции локомотивов, использующих различные виды
энергии, скорость передвижения наземного железнодорожного
транспорта превысила пятьсот километров в час. Резко повысилась
роль безопасности движения, которая во многом определяется та(
ким свойством, как надежность работы. Непрерывное усложнение
технических объектов и рост степени автоматизации процессов
управления выдвигают на передний план проблему оптимальной
организации эксплуатации сложных технических объектов, к ко(
торым относится современный локомотив. При этом одной из важ(
нейших является задача определения технического состояния, ко(
торое изменяется с течением времени под воздействием множе(
ства внутренних и внешних факторов. Знание характера и мо(
мента изменений, происходящих в объекте, позволяет оперативно
корректировать управляющие воздействия (межремонтные сро(
ки и объемы ремонта) и тем самым повысить надежность работы
объекта [14, 25].
Решением всех вопросов, связанных с определением состояния
технических объектов и характера его изменения с течением време(
ни, занимается техническая диагностика. Техническая диагностика
чаще всего ассоциируется с безразборной диагностикой, т.е. диаг(
ностикой, осуществляемой без разборки объекта. Широкое приме(
нение находят бортовые средства диагностирования, позволяющие
6

получить диагностическую информацию непосредственно в про(
цессе эксплуатации.
Теоретической базой технической диагностики следует считать
общую теорию распознавания образов. Эта теория, составляющая
важный раздел технической кибернетики, занимается распознава(
нием образов любой природы. Основной целью технической диаг(
ностики является повышение надежности работы и ресурса техни(
ческих систем, а основной задачей — распознавание состояния тех(
нической системы в условиях ограниченной информации.
На рис. 1.1 показана структура технической диагностики. Она
характеризуется двумя взаимосвязанными направлениями: теорией
распознавания и теорией контролепригодности. Теория распозна(
вания содержит разделы, связанные с построением алгоритмов рас(
познавания, решающих правил и диагностических моделей. Теория
контролеспособности, которая занимается изучением средств и ме(
тодов получения диагностической информации, включает разработ(
ку средств и методов получения диагностической информации, ав(
томатизированный контроль и поиск неисправностей [13].
Для того чтобы определить действительное состояние техничес(
кого объекта, необходимо, с одной стороны, установить, что и ка(
ким способом следует проверить, а с другой — решить, какие сред(
ства и методы для этого потребуются. Исходя из этого, все задачи
технической диагностики делятся на две группы:
– анализ объекта и выбор методов проверок с целью установле(
ния его действительного состояния;

Рис. 1.1. Структура технической диагностики

7

– выбор технических средств для осуществления проверок и
технология использования этих средств с учетом условий эксплуа(
тации объектов различного назначения.
В технической диагностике предполагается, что объект может
находится в конечном множестве N состояний, которое можно раз(
делить на два подмножества N1 и N2. Переход объекта из одного
состояния в другое, как правило, объясняется возникновением не(
исправности в объекте. Возможные неисправности разделяют на
неисправности элемента, которые определяются как недопустимые
количественные изменения какого(либо параметра вследствие
необратимых физико(химических изменений, и неисправности
объекта, которые определяются как недопустимые количественные
изменения структурных связей в объекте.
Подмножество N1 включает в себя все состояния, которые по(
зволяют выполнить объекту возложенные на него функции или
решить поставленные перед ним задачи, т.е. состояния работоспо%
собности. Каждое из состояний в этом подмножестве различается
степенью или запасом работоспособности, которое характеризу(
ется приближением состояния объекта к предельно допустимому.
Переход из одного состояния в другое в подмножестве N1 может
объясняться возникновением неисправностей в объекте, которые
не приводят к потере работоспособности. Подмножество состоя(
ний N2 включает в себя все состояния, соответствующие возникно(
вению в объекте неисправности, приводящей к потере работоспо(
собности. Такая классификация состояний объекта позволяет раз(
делить процесс диагностирования на два этапа.
На первом этапе устанавливают принадлежность объекта по
состоянию к одному из подмножеств N1 или N2. Этот этап может
быть назван определением работоспособности. Анализ состояний
объекта в подмножестве N1 позволяет установить характер измене(
ния степени его работоспособности и в ряде случаев предсказать
момент перехода состояния объекта в подмножество N2 , а следова(
тельно, осуществить прогнозирование состояния объекта.
На втором этапе определяют, в каком из подмножества N2 со(
стояний находится проверяемый объект. Вполне очевидно, что в
этом появляется необходимость, только если действительное состо(
яние объекта относится к подмножеству N2. Этот этап может быть
назван обнаружением возникшей неисправности.
8

Решение задач технической диагностики целесообразно начи(
нать в процессе проектирования объекта. При этом, исходя из ус(
ловий использования и эксплуатации проектируемого объекта, на
первом этапе разрабатывают диагностические модели. Анализ ди(
агностических моделей объекта позволяет сформулировать усло(
вие работоспособности, определить признаки неисправностей и
выбрать ограниченное множество характеристик, показателей или
параметров, которые следует контролировать в процессе диагнос(
тирования.
На следующем этапе выбирают методы определения работоспо(
собности и принципы построения программ поиска неисправнос(
ти. На этом этапе должно быть установлено, какие встроенные или
внешние технические средства будут использоваться в процессе
диагностирования.
При математической постановке задачи диагностики состояние
системы описывается с помощью комплекса признаков

K = (k1, k2 ,..., k j ,..., kν ),

(1.1)

где kj — признак, имеющий mj разрядов (j = 1…ν).

Пусть, например, признак kj представляет собой трехразрядный
признак (mj = 3), характеризующий температуру выпускных газов
из цилиндра: пониженная (1), нормальная (2), повышенная (3).
Каждый разряд (интервал) признака kj обозначается kjs, напри(
мер повышенная температура выпускных газов kj3. Фактически
наблюдаемое состояние соответствует определенной реализации
признака, что отмечается верхним индексом*. Например, при по(
вышенной температуре реализация признака k * = k .
j
j3
В общем случае каждый экземпляр системы соответствует неко(
торой реализации комплекса признаков:

K = (k1* , k2* ,..., k *j ,..., kν* ).

(1.2)

Во многих алгоритмах распознавания удобно характеризовать
систему параметрами xj, образующими ν(мерный вектор или точку
в ν(мерном пространстве:

X = ( x1, x2 ,..., x j ,..., xν ).

(1.3)
9

В большинстве случаев параметры xj имеют непрерывное рас(
пределение. Например, пусть xj — параметр, выражающий темпе(
ратуру выпускных газов из цилиндра. Предположим, что соответ(
ствие между параметром xj (К) и трехразрядным признаком kj та(
ково:

< 800

k j1

800 — 900 k j 2
> 900

(1.4)

k j3

В данном случае с помощью признака kj получается дискретное
описание, тогда как параметр xj дает непрерывное описание. При не(
прерывном описании обычно требуется значительно больший объем
информации, и поэтому описание получается более точным [13].
Существует два основных подхода к задаче распознавания: ве(
роятностный и детерминистский. При вероятностных методах рас(
познавания постановка задачи такова. Имеется система, которая
находится в одном из n случайных состояний Di. Известна совокуп(
ность признаков (параметров), каждый из которых с определенной
вероятностью характеризует состояние системы. Требуется постро(
ить решающее правило, с помощью которого предъявленная (диаг(
ностируемая) совокупность признаков была бы отнесена к одному
из возможных состояний (диагнозов). Желательно также оценить
достоверность принятого решения и степень риска ошибочного ре(
шения.
При детерминистских методах распознавания удобно формули(
ровать задачу на геометрическом языке. Если система характеризу(
ется ν(мерным вектором X, то любое состояние системы представ(
ляет собой точку в ν(мерном пространстве параметров (признаков).
Предполагается, что диагноз Di соответствует некоторой области
рассматриваемого пространства признаков. Требуется найти реша(
ющее правило, в соответствии с которым предъявленный вектор X*
(диагностируемый объект) будет отнесен к определенной области
диагноза. Таким образом, задача сводится к разделению простран(
ства признаков на области диагнозов.
При детерминистском подходе области диагнозов обычно счи(
таются «непересекающимися», т.е. вероятность одного диагноза
10

(в область которого попадает точка) равна единице, вероятность дру(
гих равна нулю. Подобным образом предполагается, что и каждый
признак либо встречается при данном диагнозе, либо отсутствует.
При формулировании задач, решаемых технической диагности(
кой и прогнозированием, следует выделить два основных направ(
ления — теоретическое и практическое [20].
К теоретическому направлению относятся следующие задачи:
– разработка стратегии управляющих и ремонтных воздействий
на объект контроля;
– разработка методов определения упреждающих допусков на
выходные параметры из условия прогнозирования безотказной ра(
боты объекта контроля в течение заданной наработки;
– разработка методов определения оптимальной периодичности
проверок объекта контроля с учетом условий безотказности и без(
опасности движения;
– разработка методов идентификации диагностических моделей;
– разработка методов прогнозирования работоспособного состо(
яния на заданный период времени работы объекта;
– разработка методов построения оптимальных программ диаг(
ностирования и диагностических тестов для распознавания нера(
ботоспособного состояния и поиска места отказа (дефекта) объекта
диагностирования;
– разработка математических моделей диагностирования и мо(
делей неисправностей объектов, обеспечивающих формальное опи(
сание взаимодействий между техническими состояниями и их при(
знаками;
– разработка логических моделей объектов диагностирования,
характеризующих логические связи между принятыми к распозна(
ванию техническими состояниями объектов и их признаками;
– определение минимально необходимого перечня наиболее ве(
роятных неработоспособных состояний (отказов элементов) и их
комбинаций, которые следует различать в процессе диагностирова(
ния;
– построение логической и диагностической моделей объекта;
– определение вида алгоритма диагностирования;
– выбор и оптимизация объема входных воздействий и призна(
ков технического состояния объектов контроля;
– анализ технических возможностей контроля выбранных при(
знаков состояния контролируемого объекта;
11

– построение оптимального алгоритма диагностирования;
– разработка методов и технических средств диагностирования.
К практическому направлению относятся следующие основные
задачи, решаемые на основе использования методов теоретическо(
го направления:
– изучение характеристик объекта при его нормальном функци(
онировании;
– прогнозирование межремонтных периодов для объекта конт(
роля и определение упреждающих допусков на контролируемые
параметры;
– сбор и обработка статистических данных о затратах, связан(
ных с проверками объекта в процессе эксплуатации.
Актуальными являются задачи построения экспертных систем
для принятия оптимальных решений в условиях ограниченной ин(
формации, а также создание интеллектуальных программ сопровож(
дения процессов контроля и диагностирования на принципах искус(
ственного интеллекта [21—23]. Самостоятельную группу составляют
задачи, связанные с разработкой методов проектирования, принци(
пов построения, экспериментальным апробированием и промышлен(
ным внедрением технических средств и систем контроля и диагно(
стирования.

1.2. Основные понятия и термины технической
диагностики
Как и любая наука, техническая диагностика оперирует специ(
фическим набором терминов и определений, которые установлены
ГОСТ 20911(89 «Техническая диагностика. Термины и определения».
Ниже приведены некоторые из них.
Техническая диагностика — область знаний, охватывающая тео(
рию, методы и средства определения технического состояния объектов.
Техническое диагностирование — определение технического со(
стояния. Задачами технического диагностирования являются:
– контроль технического состояния;
– поиск места и определение причин отказа (неисправности);
– прогнозирование технического состояния.
Иногда допускается некорректное применение этих двух терми(
нов в плане отождествления. Поэтому следует четко определиться,
что диагностика — это наука, диагностирование — это процесс.
12

Техническое состояние объекта — состояние, которое характери(
зуется в определенный момент времени при определенных услови(
ях внешней среды значениями параметров, установленных техни(
ческой документацией.
Следует обратить внимание на то, что условия внешней среды
должны быть в установленных технической документацией преде(
лах. Например, такой параметр дизель(генераторной установки
(ДГУ) тепловоза, как удельный расход топлива, подвержен влиянию
барометрического давления, температуры окружающей среды и т.д.
Если измеренный удельный расход топлива при испытаниях не
привести к нормальным условиям, то в результате можно сделать
ошибочный вывод о техническом состоянии ДГУ тепловоза.
Объект технического диагностирования (контроля технического
состояния) — изделие и (или) его составные части, подлежащие
(подвергаемые) диагностированию (контролю).
Контроль технического состояния — проверка соответствия зна(
чений параметров объекта требованиям технической документации
и определение на этой основе одного из заданных видов техничес(
кого состояния в данный момент времени. Видами технического
состояния являются, например, исправное, работоспособное, не(
исправное, неработоспособное и т.п. в зависимости от значений
параметров в данный момент времени.
Диагностический (контролируемый) параметр — параметр объек(
та, используемый при его диагностировании (контроле).
Прогнозирование технического состояния — определение техни(
ческого состояния объекта с заданной вероятностью на предстоя(
щий интервал времени.
Рабочее техническое диагностирование — диагностирование, при
котором на объект подаются рабочие воздействия.
Тестовое техническое диагностирование — диагностирование, при
котором на объект подаются тестовые воздействия.
Средства технического диагностирования (контроля техническо%
го состояния) — аппаратура и программы, с помощью которых осу(
ществляется диагностирование (контроль).
Система технического диагностирования — совокупность средств,
объекта и исполнителей, необходимая для проведения диагности(
рования (контроля) по правилам, установленным технической до(
кументацией.
13

Алгоритм технического диагностирования (контроля технического
состояния) — совокупность предписаний, определяющих последова
тельность действий при проведении диагностирования (контроля).
Диагностическая модель — формализованное описание объекта,
необходимое для решения задач диагностирования.
Встроенное средство технического диагностирования (контроля
технического состояния) — средство диагностирования (контроля),
являющееся составной частью объекта.
Внешнее средство технического диагностирования (контроля
технического состояния) — средство диагностирования (контро
ля), выполненное конструктивно отдельно от объекта.
Специализированное средство технического диагностирования
(контроля технического состояния) — средство, предназначенное для
диагностирования (контроля) одного объекта или группы однотип
ных объектов.
Универсальное средство технического диагностирования (контро
ля технического состояния) — средство, предназначенное для диаг
ностирования (контроля) объектов различных типов.
Достоверность технического диагностирования (контроля техни
ческого состояния) — степень объективного соответствия результа
тов диагностирования (контроля) действительному техническому
состоянию.
Полнота технического диагностирования (контроля техническо
го состояния) — характеристика, определяющая возможность вы
явления отказов (неисправностей) в объекте при выбранном ме
тоде его диагностирования (контроля).
Глубина поиска места отказа (неисправности) — характеристика,
задаваемая указанием составной части объекта, с точностью до ко
торой определяется место отказа (неисправности).
Следует указать, что приведенный перечень терминов и опре
делений, применяемых в технической диагностике, является со
кращенным. Поэтому при изучении теоретических основ диагно
стирования очень важно подробно ознакомиться с содержанием
ГОСТ 2091189.

1.3. Общая характеристика диагностического процесса
Одним из комплексных показателей, характеризующих надеж
ность, а следовательно и эффективность использования техничес
ких систем, является коэффициент готовности Кг. Он оценивается
14

как доля суммарного времени нахождения некоторой совокупнос(
ти технических систем в работоспособном состоянии по отноше(
нию к сумме этого времени и общего времени восстановления ра(
ботоспособности после отказов, если они произошли за исследуе(
мый период. Этот показатель уменьшается с увеличением продол(
жительности восстановлений. В связи с этим большую актуальность
приобретает задача повышения готовности сложных систем в ре(
зультате улучшения характеристик процесса восстановления: вре(
мени поиска отказавшего элемента (узла, блока) и времени устра(
нения отказа. Опыт эксплуатации показывает, что наиболее про(
должительным этапом процесса восстановления работоспособно(
сти технических систем является поиск отказавшего элемента.
Поэтому в последние годы вопросам уменьшения длительности
поиска отказавших элементов (технической диагностике) уделяет(
ся очень большое внимание.
Наиболее полная характеристика диагностического процесса
дана в работе В.И. Дедкова и Н.И. Северцева [24], она приведена
ниже.
«…Диагностический процесс — это процесс логического мышле(
ния, процесс обработки исходной информации для получения вы(
вода о состоянии исследуемой системы (в дальнейшем речь идет о
диагностике отказавшей системы). Установлено, что вероятность
одновременного возникновения в системе двух и большего числа
отказов пренебрежимо мала по сравнению с вероятностью воз(
никновения одного отказа. Поэтому, если в системе, состоящей из
N элементов, отказал i(й элемент, то будем считать, что система на(
ходится в одном из N состояний, а именно в i(м состоянии. Други(
ми словами, условимся полагать, что число состояний отказавшей
системы равно числу элементов N. Таким образом, целью диагнос(
тического процесса является выявление отказавшего элемента или,
что то же самое, определение номера состояния системы.
В качестве исходной информации при решении диагностичес(
кой задачи используются симптомы отказа и признаки нормально(
го функционирования (ПНФ) системы. Симптомом отказа систе(
мы является информация об отклонениях от норм параметров, ха(
рактеризующих ее работоспособность или состояние, а также об
изменении этих отклонений во времени. Речь идет о тех парамет(
рах, которые контролируются в процессе работы системы, в про(
15

цессе ее технического обслуживания и т.д. Например, симптомом
отказа может быть необычный шум работающего двигателя, чрез(
мерный нагрев отдельных деталей, запах горелой изоляции, шипе(
ние сжатого газа, подтекание жидкости и др.
Если в системе отказал элемент, но неизвестно какой именно,
то симптомы отказа и признаки нормального функционирования
дают специалисту некоторые сведения (информацию) о возможных
состояниях системы. Причем, чем больше объем полученных све(
дений, тем больше информация о системе, тем легче выявить но(
мер состояния, в котором находится отказавшая система. Макси(
мальное количество информации содержится в симптоме, позво(
ляющем однозначно определить отказавший элемент.
Однако симптомы отказа и признаки нормального функциони(
рования не всегда однозначно определяют состояние системы.
Прежде всего, необходимо осмыслить каждый из симптомов и ПНФ
для того, чтобы выделить из возможных состояний системы наибо(
лее вероятное. Следовательно, первой характерной чертой диагнос(
тического процесса является анализ симптомов отказа и ПНФ сис(
темы, позволяющий уточнить ситуацию, т.е. локализовать места или
блоки, в которых находится отказавший элемент.
В процессе диагностирования нужно учитывать не только симп(
томы отказа, зафиксированные в момент возникновения отказа и
после него. Важное значение имеет предыстория, т.е. предыдущие
наблюдения и сведения о том, сколько времени, в каких условиях
работала система и при каких условиях наступил отказ. Если пре(
дыдущие наблюдения позволили установить, что параметры, харак(
теризующие работоспособность системы, приближались к грани(
це допуска постепенно, то это свидетельствует о возможности по(
явления отказа, вызванного износом и старением, что заставит в
первую очередь обратить внимание на элементы, наиболее подвер(
женные таким изменениям. Симптом, учитывающий постепенное
изменение параметра с течением времени, назовем интегральным.
Напротив, внезапное появление отказа может свидетельствовать
о несоблюдении правил эксплуатации системы или об ошибках,
допущенных при ее изготовлении. В этом случае надо обратить вни(
мание на «слабые» места в конструкции и на возможность ошибок,
допускаемых обслуживающим персоналом. Дополнительный симп(
том, учитывающий внезапность отказа, называют дифференциальным.
16

Таким образом, второй характерной чертой диагностического
процесса является использование информации, содержащейся в
интегральных и дифференциальных симптомах. Часто для опреде(
ления состояния системы недостаточно информации, содержащей(
ся в симптомах отказа и ПНФ. В этом случае для получения до(
полнительной информации прибегают к различным испытаниям.
Последовательность (программу) испытаний (проверок) можно ус(
тановить различными способами. Правило (совокупность матема(
тических операций), которое позволяет определить срок очередной
проверки, обычно называют алгоритмом проверок. Сами програм(
мы проверок могут быть жесткими и гибкими. При жесткой про(
грамме поиска последовательность проверок определена заранее
и в процессе поиска отказавшего элемента не изменяется. При
гибкой программе поиска характер (содержание) очередной про(
верки устанавливается в ходе диагностического процесса, т.е. ре(
шение о проведении следующего испытания принимается после
анализа результатов предыдущего испытания.
Таким образом, третьей характерной чертой диагностического
процесса является выбор наиболее эффективной программы испы(
таний (проверок), обеспечивающей решение проблемы недостатка
информации о состоянии отказавшей системы.
Любое испытание дает некоторую информацию, не зависящую
от испытателя. Однако количество воспринятой информации зави(
сит от его индивидуальных особенностей. Для опытного специали(
ста информация более различима, чем для неквалифицированного,
поэтому первый быстрее установит, в каком из N состояний нахо(
дится система. Более того, неопытный специалист может вообще
неверно истолковать результаты опыта и принять неправильное ре(
шение. Следовательно, распознавание информации, получаемой
в результате испытаний, является четвертой характерной чертой
диагностического процесса. Поэтому большое значение имеют ме(
тоды обучения специалистов, их индивидуальные способности,
опыт эксплуатации техники и т.д.
Диагностические процессы характеризуются различной эффек(
тивностью. Задача состоит в том, чтобы добиться наиболее эффек(
тивного диагностического процесса по определенному критерию.
Такими критериями могут быть: продолжительность диагностичес(
кого процесса; общее число проверок (испытаний), необходимое
17

для отыскания отказавшего элемента; стоимость реализации диаг(
ностического процесса и др. В ходе разработки программ диагнос(
тических процессов возникает задача оптимизации этих критериев.
Программы (тесты), соответствующие оптимальному значению од(
ного или нескольких критериев, называют оптимальными. Для того
чтобы разработать оптимальную программу диагностического про(
цесса, необходимо знать закономерности, которым подчинятся
любые процессы получения и обработки информации…».

1.4. Методы распознавания
К настоящему моменту разработано большое количество мето(
дов, применение которых позволяет распознать вид технического
состояния диагностируемого объекта. В данной работе рассмотре(
ны лишь некоторые из них, наиболее широко используемые в прак(
тике диагностирования.

1.4.1. Метод Байеса
Метод диагностирования, основанный на применении форму(
лы Байеса, относится к статистическим методам распознавания.
Вероятность события А, которое может наступить лишь при по(
явлении одного из несовместимых событий В1, В2, …, Вn, равна сум(
ме произведений вероятностей каждого из этих событий на соот(
ветствующую вероятность события А:
P ( A ) = P (B1 )PB ( A ) + P (B2 )PB ( A ) + ... + P (Bn )PB ( A ).
1

(1.5)

n

2

Эту формулу называют формулой полной вероятности. Следствие
теоремы умножения и формулы полной вероятности — так назы(
ваемая теория гипотез. Предположим, что событие А может на(
ступить лишь при появлении одного из несовместных событий В1,
В2, …, Вn, но поскольку заранее неизвестно, какое из них наступит,
их называют гипотезами. Вероятность появления события A оп(
ределяют по формуле полной вероятности (1.5), а условную веро(
ятность PA(Bi) по формуле
PA (Bi ) =

18

P (Bi )PB ( A )
i

P ( A)

.

Подставив значение Р(А), получим

PA (Bi ) =

P (Bi )PB ( A )
i

P (B1 )PB ( A ) + P (B2 )PB ( A ) + ... + P (Bn )PB ( A )
1

.

(1.6)

n

2

Формулу (1.6) называют формулой Байеса. Она позволяет пере(
оценить вероятности гипотез после того, как станут известными
результаты испытания, в ходе которого появилось событие А.
Выявление величин условных вероятностей появления признака
является ключом к использованию формулы Байеса для диагнос(
тики состояния. Байесовский подход широко используется в на(
уке об управлении, теории обнаружения сигналов и распознавания
образов, в медицинской и технической диагностике.
Рассмотрим суть метода применительно к задаче диагностиро(
вания. Подробно математическая сторона вопроса изложена в ра(
боте [13]. В процессе эксплуатации любой объект может нахо(
диться в одном из возможных состояний N1, …,Ni (в простейшем
случае — «норма», «отказ»), которым ставятся в соответствие гипо(
тезы (диагнозы) D1,…,Di. В процессе эксплуатации объекта конт(
ролируются параметры (признаки) k1, …, kj. Вероятность совмест(
ного наличия у объекта состояния Di и признака kj определяется

P (Di ki ) = P (Di )P (k j / Di ) = P (k j )P (Di / k j ).
Откуда

P (Di / k j ) = P (Di )

P (k j / Di )
P (k j )

,

где P(Di) — вероятность диагноза Di, определяемая по статистическим дан(
ным:

P (Di ) = N i /n,
где n — количество обследованных объектов;
Ni — количество состояний;
P(kj /Di) — вероятность появления признака kj у объектов с состоянием Di.
Если среди ni объектов, имеющих диагноз Di, у nij проявился признак kj, то

19

P (k j /Di ) 

nij
ni

;

P(kj) — вероятность появления признака kj во всех объектах независимо от
состояния (диагноза) объекта. Пусть из общего числа n объектов признак kj
был обнаружен у nj объектов, тогда

P (k j )  n j /n;
P(Di/kj) — вероятность диагноза Di после того, как стало известно наличие
у рассматриваемого объекта признака kj.

Обобщенная формула Байеса относится к случаю, когда обсле#
дование проводится по комплексу признаков K, включающему при#
знаки (k1, k2, …, kn). Каждый из признаков kj имеет mj разрядов (kj1,
kj2, …, kjs, …, kjm). В результате обследования становиться известной
реализация признака k *  k и всего комплекса признаков K *. Ин#
j
js
декс * означает конкретное значение признака. Формула Байеса для
комплекса признаков имеет вид
P (Di /K * )  P (Di )P (K * /Di ) / P (K * ),
где P(Di /K*) — вероятность диагноза Di после того, как стали известны ре#
зультаты обследования по комплексу признаков K;
P(Di) — предварительная вероятность диагноза Di.

Предполагается, что система находится только в одном из ука#
занных состояний, т.е.
n

∑ P (Ds )  1.

s 1

Для определения вероятности диагноза по методу Байеса на ос#
нове предварительного статистического материала формируется
диагностическая матрица (табл. 1.1). Количество строк соответ#
ствует количеству возможных диагнозов. Количество столбцов
рассчитывается как сумма произведений количества признаков на
соответствующее им количество разрядов плюс один для априор#
ных вероятностей диагнозов. В этой таблице содержатся вероят#
ности разрядов признаков при различных диагнозах. Если призна#
20

ки двухразрядные (простые признаки «да — нет»), то в таблице до
статочно указать вероятность появления признака P(kj /Di). Веро
ятность отсутствия признака P (k / D )  1  P (k / D ) . Более удобно
j
i
j
i
использовать единообразную форму, полагая, например, для двухраз
рядного признака P(kj /Di) = P(kj1 /Di); P (k / D )  P (k / D ) . Сле
j

i

j2

i

mj

дует уточнить, что

∑ P (k js / Di )  1 , где mj — число разрядов при

s 1

знака kj. Сумма вероятностей всех возможных реализаций призна
ка равна единице. Решающее правило — это правило, в соответ
ствии с которым принимается решение о диагнозе. В методе Байе
са объект с комплексом признаков К* относится к диагнозу с наи
большей (апостериорной) вероятностью К*  Di, если Р(Di/К*) >
> Р(Dj /К*) (j = 1, 2, …, n; i  j). Это правило обычно уточняется
введением порогового значения для вероятности диагноза Р(Di/К*) 
 Рi, где Рi — заранее выбранный уровень распознавания для диаг
ноза Di. При этом вероятность ближайшего конкурирующего ди
агноза не выше 1 – Рi. Обычно принимается Рi  0,9. При усло
вии Р(Di/К*) < Рi решение о диагнозе не принимается и требует
ся поступление дополнительной информации.
Таблица 1.1
Диагностическая матрица в методе Байеса

Пример. Под наблюдением находится тепловозный дизель. При этом про
веряются два признака: k1 — увеличение часового расхода топлива дизелем на
номинальной позиции контроллера машиниста более чем на 10 % от паспорт
ного значения, k2 — снижение мощности дизельгенераторной установки на
номинальной позиции контроллера машиниста более чем на 15 % от паспорт
ного значения. Предположим, что появление этих признаков связано либо с
повышенным износом деталей цилиндропоршневой группы (диагноз D1), либо

21

с неисправностью топливной аппаратуры (диагноз D2). При исправном состо(
янии дизеля (диагноз D3) признак k1 не наблюдается, а признак k2 наблюдает(
ся в 7 % случаев. По статистическим данным установлено, что с диагнозом D3
до планового ремонта дорабатывают 60 % двигателей, с диагнозом D2 — 30 %,
с диагнозом D1 — 10 %. Также установлено, что признак k1 при состоянии D1
встречается в 10 %, а при состоянии D2 — в 40 % случаев; признак k2 при со(
стоянии D1 встречается в 15 %, а при состоянии D2 — в 20 % случаев. Исход(
ную информацию представим в виде табл. 1.2.
Таблица 1.2
Вероятности состояний и проявления признаков

Рассчитаем вероятности состояний при различных вариантах реализации
контролируемых признаков:
1. Признаки k1 и k2 обнаружены, тогда:

P (D1 / k1k2 ) =

0,10 ⋅ 0,15 ⋅ 0,10
= 0,058;
0,10 ⋅ 0,15 ⋅ 0,10 + 0,30 ⋅ 0,20 ⋅ 0,40 + 0,60 ⋅ 0,07 ⋅ 0,00

P (D2 / k1k2 ) =

0,30 ⋅ 0,20 ⋅ 0,40
= 0,942;
0,10 ⋅ 0,15 ⋅ 0,10 + 0,30 ⋅ 0,20 ⋅ 0,40 + 0,60 ⋅ 0,07 ⋅ 0,00

P (D3 / k1k2 ) =

0,60 ⋅ 0,07 ⋅ 0,00
= 0.
0,10 ⋅ 0,15 ⋅ 0,10 + 0,30 ⋅ 0,20 ⋅ 0,40 + 0,60 ⋅ 0,07 ⋅ 0,00

2. Признак k1 обнаружен, признак k2 отсутствует.
Отсутствие признака ki означает присутствие признака ki (противополож(
ное событие), причем P (ki /Di ) = 1 − P (ki /Di ) .

P (D1 / k1k2 ) =

0,10 ⋅ 0,85 ⋅ 0,10
= 0,081;
0,10 ⋅ 0,85 ⋅ 0,10 + 0,30 ⋅ 0,80 ⋅ 0,40 + 0,60 ⋅ 0,93 ⋅ 0,00

P (D2 / k1k2 ) =

0,30 ⋅ 0,80 ⋅ 0,40
= 0,919;
0,10 ⋅ 0,85 ⋅ 0,10 + 0,30 ⋅ 0,80 ⋅ 0,40 + 0,60 ⋅ 0,93 ⋅ 0,00

P (D3 / k1k2 ) =

22

0,60 ⋅ 0,93 ⋅ 0,00
= 0.
0,10 ⋅ 0,85 ⋅ 0,10 + 0,30 ⋅ 0,80 ⋅ 0,40 + 0,60 ⋅ 0,93 ⋅ 0,00

3. Признак k2 обнаружен, признак k1 отсутствует:
0,10 ⋅ 0,15 ⋅ 0,90
P (D1 / k1k2 ) =
= 0,147;
0,10 ⋅ 0,15 ⋅ 0,90 + 0,30 ⋅ 0,20 ⋅ 0,60 + 0,60 ⋅ 0,07 ⋅1

P (D2 / k1k2 ) =

0,30 ⋅ 0,20 ⋅ 0,60
= 0,394;
0,10 ⋅ 0,15 ⋅ 0,90 + 0,30 ⋅ 0,20 ⋅ 0,60 + 0,60 ⋅ 0,07 ⋅1

P (D3 / k1k2 ) =

0,60 ⋅ 0,07 ⋅1
= 0,459.
0,10 ⋅ 0,15 ⋅ 0,90 + 0,30 ⋅ 0,20 ⋅ 0,60 + 0,60 ⋅ 0,07 ⋅1

4. Признаки k1 и k2 отсутствуют:
0,10 ⋅ 0,85 ⋅ 0,90
P (D1 / k1k2 ) =
= 0,098;
0,10 ⋅ 0,85 ⋅ 0,90 + 0,30 ⋅ 0,80 ⋅ 0,60 + 0,60 ⋅ 0,93 ⋅1

P (D2 / k1k2 ) =

0,30 ⋅ 0,80 ⋅ 0,60
= 0,185
0,10 ⋅ 0,85 ⋅ 0,90 + 0,30 ⋅ 0,80 ⋅ 0,60 + 0,60 ⋅ 0,93 ⋅1

P (D3 / k1k2 ) =

0,60 ⋅ 0,93 ⋅1
= 0,717.
0,10 ⋅ 0,85 ⋅ 0,90 + 0,30 ⋅ 0,80 ⋅ 0,60 + 0,60 ⋅ 0,93 ⋅1

Анализ полученных результатов расчета позволяет сделать следующие вы(
воды:
1. Наличие двух признаков k1 и k2 с вероятностью 0,942 свидетельствует о
состоянии D2 (неисправность топливной аппаратуры).
2. Наличие признака k1 с вероятностью 0,919 свидетельствует о состоянии
D2 (неисправность топливной аппаратуры).
3. Наличие признака k2 с вероятностью 0,394 свидетельствует о состоянии
D2 (неисправность топливной аппаратуры) и с вероятностью 0,459 о состоя(
нии D3 (исправное стояние). При таком соотношении вероятностей принятие
решения затруднено, поэтому требуется проведение дополнительных обсле(
дований.
4. Отсутствие обоих признаков с вероятностью 0,717 свидетельствует об
исправном состоянии (D3).

1.4.2. Метод последовательного анализа
В диагностике часто встречаются задачи, когда диагностируе(
мый объект необходимо отнести к одному из двух состояний, на(
пример, «норма» — «отказ», «исправен» — «неисправен». В этом
случае наиболее применим метод последовательного анализа, пред(
ложенный Вальдом. Преимущества этого метода, по сравнению с
байесовским подходом, заключаются в возможности принятия ре(
шения за меньшее число обследований.
23

Суть метода состоит в следующем. Предположим, что при со(
стоянии объекта D1 («норма») признак k1 встречается с вероятнос(

(

)

(

)
состоянии D2 («отказ») — встречается с вероятностью P (k1/D2 ) = 0,1
и отсутствует с вероятностью P (k1/D2 ) = 0,9 . Если при обследова(

тью P k1/D1 = 0,8 и отсутствует с вероятностью P k1/D1 = 0,2 , при

нии было установлено наличие признака k1, то логично предполо(
жить, что объект находится в состоянии D1. Если признак k1 отсут(
ствует, то объект находится в состоянии D2.
При реализации метода процесс принятия решения осуществ(
ляется следующим образом:
– при

P (k1/D2 )
P (k1/D1 )

> Rв принимается решение о принадлежности

объекта к состоянию D2;
– при

P (k1/D2 )

(

P k1/D1

)

< Rн — к состоянию D1,

где Rв, Rн — верхняя и нижняя границы принятия решения, уста(
навливаются предварительно.
При наступлении случая, когда

Rн <

P (k1/D2 )

(

P k1/D1

)

< Rв ,

требуются дополнительные обследования, для чего назначается об(
следование по признаку k2 (условимся, что признаки k1 и k2 неза(
висимы). В этом случае
– при

P (k1/D2 ) P (k2 /D2 )

(

) (

P k1 /D1 P k2 /D1

)

> Rв принимается решение о принад(

лежности объекта к состоянию D2,
– при

24

P (k1/D2 ) P (k2 /D2 )

(

) (

P k1 /D1 P k2 /D1

)

< Rн — к состоянию D1.

Если
Rн <

P (k1/D2 ) P (k2 /D2 )

(

) (

P k1 /D1 P k2 /D1

)

< Rв ,

процесс обследования продолжается по признаку k3 и т.д. По до(
полнительным признакам процесс обследования продолжается до
момента, когда возможно принятие определенного решения при
установленных границах Rв и Rн. Для уменьшения количества об(
следований признаки k1, k2, …, ks должны выбираться из условия
наибольшей информативности.

1.4.3. Методы статистических решений
Методы статистических решений нашли широкое применение в
задачах технической диагностики. Подробное изложение можно
найти в работе [13]. Выбор решающего правила в этих методах осу(
ществляется исходя из некоторых условий оптимальности.
Предположим, что нам необходимо определить состояние вту(
лок верхней головки шатуна по содержанию меди в моторном мас(
ле дизеля (параметр х). Для решения этой задачи необходимо уста(
новить значение х0 параметра х таким образом, что при x ≥ x0 сле(
дует принимать решение о выводе дизеля из эксплуатации для ре(
монта, а при х < х0 — допускать дальнейшую эксплуатацию.
Примем, что D1 — исправное состояние, а D2 — наличие дефек(
та. Тогда указанное правило решения состоит в следующем: при х < х0
x ∈ D1, при x ≥ x0 x ∈ D2.
Содержание меди в моторном масле неоднозначно характеризу(
ет состояние бронзовых втулок (в моторное масло попадают части(
цы меди с компрессионных колец (дизель типа Д100), цилиндро(
вых втулок и других деталей. С учетом действия множества случай(
ных факторов распределение x для дефектных и исправных втулок
может быть представлено рис. 1.2.
Пересечение областей исправного D1 и дефектного D2 состоя(
ний приводит к невозможности выбора значения x0, при котором
не было бы ошибочных решений. Под ошибочными решениями в
диагностике понимаются решения, не соответствующие действи(
тельному состоянию диагностируемого объекта. Так, если по ре(
зультатам диагностирования принимается решение о соответствии
25

Рис. 1.2. Статистические распределения плотности вероятности диагности
ческого параметра для исправного и неисправного состояний

технического объекта состоянию «отказ», а по результатам осмотра
установлено состояние «норма», то допускается ошибка первого
рода — ложная тревога, если решение — «норма», а действительное
состояние — «отказ», то допускается ошибка второго рода — про
пуск дефекта. Более подробно информация по ошибкам диагнос
тирования изложена в п. 1.10.
Выбор значения x0 осуществляется с использованием одного из
критериев оптимальности, например, наименьшего числа ошибоч
ных решений.
Минимальное число ошибочных решений. При рассмотренной
схеме распределения параметра х и установленном значении x0
(см. рис. 1.2), вероятность ложной тревоги определяется:

x

PI 

∫





f ( x /D1 )dx

∫

x0

f ( x /D1 )dx,

вероятность пропуска дефекта


PII 


x0

∫ f ( x/D2 )dx ∫


x



где x — измеренное значение параметра.

26

f ( x /D2 )dx,

Для упрощения записи обозначим априорные вероятности


x

диагноза D 1 как P1 = P (D1 ) =
∞

∫

−∞

f ( x /D1 )dx , а D 2 как P2 = P (D2 ) =

= ∫ f ( x /D2 )dx .


x

Тогда вероятность ошибочного решения определится по фор(
муле
∞

Pо = P1 ∫ f ( x /D1 )dx + P2
x0

x0

∫

−∞

f ( x /D2 )dx .

Для определения минимального значения вероятности оши(
бочного решения необходимо вычислить первую производную Ро
по х0 и приравнять ее к нулю:
dPo
dx0

= −P1 f ( x0 /D1 ) + P2 f ( x0 /D2 ) = 0.

Отсюда минимум вероятности ошибочного решения достигает(
ся при выполнении условия
f ( x0 /D1 ) / f ( x0 /D2 ) = P2 /P1.

При контроле параметра х решение о диагнозе D1 принимается
при выполнении условия f(x/D1)/f(x/D2) > P2/P1, решение о диаг(
нозе D2 при выполнении условия f(x/D1)/f(x/D2) < P2/P1.
Этот метод применим при равенстве стоимости ошибок лож(
ной тревоги и пропуска дефекта. При реальной эксплуатации тех(
нических систем стоимость ошибок пропуска дефекта намного
больше стоимости ошибок ложной тревоги.
Средний риск. Как было упомянуто выше, при проведении тех(
нического диагностирования возникают ошибки ложной тревоги и
пропуска дефекта. Обозначим C1 и C2 соответственно потери от
последствий этих ошибок (стоимости ошибок). Тогда средний риск
при установленном значении x0 определяется по формуле
∞

Pr = C1P1 ∫ f ( x /D1 )dx + C2 P2
x0

x0

∫

−∞

f ( x /D2 )dx .
27

В самом общем случае средний риск учитывает также стоимости
правильных решений:

Pr = C1P1

x0

∫

−∞

∞

+∞

f ( x /D1 )dx + C1P1 ∫ f ( x /D1 )dx + C2 P2

∫

x0

+ C2 P2

x0

f ( x /D2 )dx +

x0

∫

f ( x /D2 )dx,

−∞

(1.7)

где C , C — стоимость правильных решений при постановке диагноза D1 и
1 2
D2 соответственно.

Минимальный риск. Рассмотрим метод принятия решения из ус(
ловия минимального риска. Продифференцируем (1.7) по x0 и при(
равняем производную к нулю:
dPr
dx0

= C1P1 f ( x0 /D1 ) − C1P1 f ( x0 /D1 ) + C 2 P2 f ( x0 /D2 ) − C2 P2 f ( x0 /D2 ) = 0,

откуда
f ( x0 /D1 )
f ( x0 /D2 )

=

(C1 − C1 )P1
(C 2 − C 2 )P2

.

Для существования минимума Pr в точке x = x0 должно выпол(
няться еще одно условие

d 2 Pr
dx02

> 0 , т.е.

f ( x0 /D1 )
f ( x0 /D2 )

<

(C1 − C1 )P1
(C 2 − C 2 )P2

.

Принятие решения о состоянии объекта по измеренному значе(
нию параметра х осуществляется по следующему правилу:
– при

28

f ( x0 /D1 )
f ( x0 /D2 )

<

(C1 − C1 )P1
(C 2 − C 2 )P2

принимается диагноз D1;

– при

f ( x0 /D1 )
f ( x0 /D2 )

>

(C1 − C1 )P1
(C 2 − C 2 )P2

принимается диагноз D2.

1.5. Теория информации и диагностика
Теорией информации называется наука, которая изучает коли(
чественные закономерности, связанные с получением, передачей,
обработкой и хранением информации. Развитие теории связи тре(
бовало научно обоснованного решения целого ряда практических
задач. Свое развитие теория информации получила в 40(х годах XX в.
в трудах американских математиков К. Шеннона [31] и Н. Винера,
русского математика Н.А. Колмогорова [33] и др. Диагностический
процесс — это процесс получения информации о техническом со(
стоянии объекта, поэтому математический аппарат теории инфор(
мации нашел широкое применение для решения целого ряда задач
в технической диагностике.

1.5.1. Энтропия системы
Одним из основных понятий в теории информации является по(
нятие энтропии системы. Рассмотрим систему, состоящую из n эле(
ментов. В процессе эксплуатации такой системы неизбежно насту(
пает момент, когда отказывает один из элементов. Состояние такой
системы является неопределенным, так как неизвестно, какой из
элементов отказал. Такая система может иметь n случайных состоя(
ний N1, N2, …, Nn с вероятностями P(N1), P(N2), …,P(Nn). Если одно
из состояний системы обязательно реализуется, а два состояния
одновременно невозможны (полная группа несовместимых собы(
тий), тогда
n

∑ P (N n ) = 1.

i =1

Допустим, что вероятности отказа рассматриваемой системы оди(
1
наковы и равны P (N i ) = P (N ) = . Общее число возможных отка(
n
зов или состояний отказавшей системы равно числу элементов n
при условии, что отказавшим в системе может быть только один
элемент. Очевидно, что степень неопределенности состояния такой

29

системы H(n) (общепринятое обозначение степени неопределен(
ности) зависит от числа возможных ее состояний. При n = 1 со(
стояние вообще не является неопределенным, так как совершенно
очевидно, что отказал этот элемент. При больших n весьма трудно
определить, какой из элементов отказал.
Таким образом, мера неопределенности состояния системы за(
висит от числа элементов n, причем H(n = 1) = 0. При увеличении
числа элементов n величина H(n) возрастает.
Рассмотрим систему, состоящую из двух элементов (n = 2) с ве(
роятностями отказа P(N1) = 0,99 и P(N2) = 0,01. Такая система об(
ладает очень малой степенью неопределенности состояния. При
отказе такой системы с большой степенью уверенности можно
предположить, что отказал первый элемент. В такой же системе,
состоящей из двух элементов, вероятности отказа которых равны
P(N1) = P(N2) = 0,5, уже трудно установить, какой из элементов
неисправен при отказе системы. Следовательно, неопределенность
состояния системы зависит не только от числа ее возможных со(
стояний n, но и от вероятности этих состояний P(Ni).
Понятие энтропии (степени неопределенности состояния) было
введено Клодом Шенноном. Для ее вычисления, при n возможных
состояниях системы с вероятностями P(N1), P(N2),…,P(Nn) предло(
жено выражение
n

H (N ) = −∑ P (N i )logP (N i ).

(1.8)

i =1

Так как вероятности состояний системы 0 ≤ P(Ni) ≤ 1, то энтро(
пия является положительной величиной. Основанием логарифма в
(1.8) может быть любое положительное число a > 1. На практике
удобнее всего пользоваться логарифмом при основании 2. Целесо(
образность использования двоичных логарифмов легко понять, вы(
числяя энтропию системы, имеющей два равновероятных состоя(
ния. В этом случае P(N1) = P(N2) = 0,5. По формуле (1.8) находим
1
1 1
1
H (N ) = −P (N1 )log 2 P (N1 ) − P (N 2 )log2 P (N 2 ) = − log2 − log 2 = 1.
2
2 2
2
Определенная таким образом единица энтропии называется дво(
ичной единицей и обозначается bit (от английского binari digit —
двоичное исчисление).

30

Энтропия состояния системы обладает рядом свойств:
1. Энтропия обращается в ноль, когда одно из состояний системы
достоверно, а все другие невозможны.
Анализ (1.8) показывает, что при этом условии одно из слагае(
мых P(Ni) log2 P(Ni) = 0, так как P(Ni) = 1, а все остальные слагае(
мые имеют неопределенное значение типа 0⋅∞.
2. Энтропия системы с конечным множеством состояний макси%
мальна, когда эти состояния равновероятны.
n

H max (n) = −∑ P (N i )log2 P (N i ) = log2n.
i =1

Если хотя бы одна из вероятностей отказа не равна всем осталь(
ным, то выполняется неравенство
n

H max (n) = −∑ P (N i )log2 P (N i ) < log2n.
i =1

Энтропия состояния системы тем меньше, чем больше отлича(
ются друг от друга значения вероятностей P(Ni) (рис. 1.3).
3. Энтропия состояния системы обладает свойством аддитивнос%
ти, т.е. при объединении нескольких независимых систем их энтропии
складываются.
Рассмотрим две независимые системы А1 и А2, имеющие соот(
ветственно N1 и N2 равноверо(
ятных состояний. Энтропии со(
стояния систем А1 и А2 соответ(
ственно равны H(А1) = log2N1 и
H(А2) = log2N2. При объедине(
нии этих систем в одну получим
N 1 N 2 возможных состояний.
Тогда энтропия состояния такой
системы будет равна
H (N1, N 2 ) = log 2 N1N 2 =
= log2 N1 + log2 N 2 =
= H (N1 ) + H (N 2 ).

Рис. 1.3. Зависимость энтропии состо(
яния системы от вероятности отказа

31

1.5.2. Количество информации, получаемой
при диагностировании
Диагностический процесс напрямую связан с получением ин(
формации о состоянии объекта. Как оценить то количество инфор(
мации, которое можно получить при проведении диагностической
операции? Предположим, что до проведения диагностических про(
цедур можно было утверждать, что отказал проверяемый элемент —
с вероятностью P (N i(1) ) , а после проведения диагностических про(
цедур — с вероятностью P (N (2) ) . Определим количество получен(
i
ной информации, вызвавшей изменение вероятности отказа. Обо(
значим ψ =

P (N i(2) )
P (N i(1) )

. Число ψ может служить мерой информации,

показывая во сколько раз изменилась вероятность при получении
информации. Более удобной формой измерения информации яв(
ляется не отношение, а приращение. В этом случае мерой инфор(
мации J является логарифм ψ, т.е.
J = log 2 ψ = log 2 P (N i(2) ) − log 2 P (N i(1) ).

Количество информации о состоянии объекта может быть полу(
чено как за один шаг, так и за несколько. Если вероятность отказа
элемента до проведения диагностических операций P (N i(0) ) = 0,3, а
после диагностирования на первом шаге P (N i(1) ) = 0,6, то количество
информации, полученное в результате диагностирования на первом
шаге, равно J1 = log2 0,6 – log2 0,3. Если после проведения диагнос(
тирования на втором шаге установлено, что P (N i(2) ) = 1,0, то коли(
чество полученной информации за второй шаг J2 = log21,0 – log0,6.
Общее количество информации за два шага диагностирования
J = J1 + J 2 = log21,0 − log2 0,6 + log2 0,6 − log2 0,3 = −log2 0,3.

Если состояние диагностируемого элемента выяснилось за один
шаг, т.е. P (N (1) ) = 1,0, то количество полученной информации рав(
i
32

но J = log21,0 – log 0,3 = – log2 0,3, т.е. получено такое же количе(
ство информации, как за два шага диагностирования.
В практике диагностирования технических объектов наиболее
вероятна ситуация, когда информация относительно системы А по(
лучается с помощью наблюдения за другой, связанной с ней систе(
мой В. Среднюю величину информации, или информативность си(
стемы В относительно системы А, можно определить из равенства
J A (B ) = H ( A ) − H ( A/B ),
где Н(А/В) — энтропия состояния системы А после того, как стало известно
состояние системы В.

Логично предположить, что и система А содержит информацию
относительно системы В. Средняя информация, содержащаяся в
системе А относительно системы В,
J B ( A ) = H (B ) − H (B /A ),

или
J B ( A ) = J A (B ).

Это равенство выражает важное свойство взаимности информа%
ции. В общем виде формула для информации, которую несет систе(
ма сигналов В относительно состояния А, имеет вид [13]:
n m

P ( Ai B j )

i =1 j =1

P ( Ai )P (B j )

J A (B ) = ∑ ∑ P ( Ai B j )log2

.

При условии независимости систем А и В имеем JA(B) = JB(A) = 0.
Совершенно очевидно, что нельзя получить информацию о состоя(
нии системы, наблюдая за состоянием не связанной с ней системы.

1.5.3. Диагностическая ценность обследования
Прежде всего, следует указать, что диагностический признак
может быть простым и сложным. Простым будем называть при(
знак, результат обследования по которому может быть выражен
одним из двух символов или двоичным числом (например, 1 и 0;
«да» и «нет»; «+» и «—» и т.п.). Простой признак может означать
наличие или отсутствие измеряемого параметра в определенном
интервале.
33

Чаще в диагностике область возможных значений диагности(
ческого признака разбивается на интервалы. Сложным (разряда m)
назовем признак, который может быть выражен одним из m симво(
лов. Разряды признака называются диагностическими интервалами.
Одноразрядный признак имеет только одно возможное состояние, он
не несет диагностической информации, поэтому рассматриваться не
будет. Двухразрядный признак (m = 2) обладает двумя альтернатив(
ными состояниями, поэтому может быть заменен простым призна(
ком. Трехразрядный признак (m = 3) имеет три возможных состоя(
ния k1, k2, k3. Например, для параметра х установлены три диаг(
ностических интервала: ≤20; 20 –40; ≥40. Тогда для признака k, ха(
рактеризующего этот параметр, возможны три значения k1 (x ≤ 20),
k2(20 < x < 40), k3(x ≥ 40); m%разрядный признак имеет m возможных
состояний: k1, k2, …, km.
Диагностическая ценность признака определяется информацией,
которая вносится признаком в систему состояний [13]. Таким обра(
зом, использование неинформативных признаков при выполнении
диагностических процедур может существенно снизить эффектив(
ность диагностического процесса. В качестве диагностического веса
Z реализации признака kj для диагноза Di примем
Z D (k js ) = log
i

P (Di / k js )
P (Di )

,

где kjs — реализация признака kj;
P(Di/kjs) — вероятность диагноза Di при условии, что признак kj получил
значение kjs;
P(Di) — априорная вероятность диагноза.

С точки зрения теории информации величина Z D (k js ) представ(
i

ляет собой информацию о состоянии Di, которой обладает состоя(
ние признака kjs.
Диагностической ценностью обследования по признаку kj для ди(
агноза Di будем считать величину информации, вносимую всеми
реализациями признака kj в установление диагноза Di. Для m(раз(
рядного признака
m

Z D (k j ) = ∑ P (k js /Di )Z D (k js ).
i

34

i =1

i

Диагностическая ценность обследования учитывает все возмож(
ные реализации признака и представляет собой математическое
ожидание величины информации, вносимой отдельными реализа(
циями. Так как величина Z D (k j ) относится только к одному диаг(
i

нозу Di, то будем называть ее частной диагностической ценностью
обследования по признаку kj.
Величина Z D (k j ) может быть записана в трех эквивалентных
i
формах:
m

Z D (k j ) = ∑ P (k js /Di )log2 P (k js /Di ) / P (k js );


i
i =1
m

Z D (k j ) = ∑ P (k js /Di )log2 P (Di /k jsi ) / P (Di ) ;


i
i =1

m

Z D (k j ) = ∑ P (k js /Di )log2 P (Di k js ) / P (Di )P (k js ).


i
i =1

Диагностическая ценность обследования для простого признака
m

m

i =1

i =1

Z D (k j ) = ∑ P (k js /Di )log2 P (k js /Di ) /P (k js ) + ∑ P (k js /Di )log2 ×


i
× P (k js / Di ) / P (k js ) = P (k js /Di )log2 P (k js /Di ) /P (k js ) +




(1 − P (k js / Di )
+ 1 − P (k js /Di ) log2
.


P (k js )

Наибольшую диагностическую ценность имеют обследования по
признакам, которые часто встречаются при данном диагнозе. При
совпадении P(kjs/Di) и P(kjs) обследование не имеет никакой диаг(
ностической ценности.
Диагностическая ценность обследования вычисляется в едини(
цах информации и не может быть отрицательной величиной.

35

Введем понятие общей диагностической ценности обследова(
ния по признаку kj для всей системы диагнозов D, определив ее
как количество информации, вносимое обследованием в систему
диагнозов:
n m

P (Di k js )

i =1 j =1

P (Di )P (k js )

Z D (k j ) = ∑ ∑ P (Di k js )log2

.

Внесенная информация равна разности энтропий системы диаг(
нозов:
Z D (k j ) = H (D ) − H (D / k j ),
n

где H (D ) = − ∑ P (Di )log2P (Di ) — априорная энтропия диагнозов;
i =1

m

H (D/k j ) = ∑ P (k js )H (D/k js ) — ожидаемое значение энтропии после про(
s =1

ведения обследования по признаку kj;
n

H (D/k js ) = ∑ P (Di /k js )log2 (Di /k js ) — энтропия системы диагнозов после
i −1

реализации kjs признака kj.

Практическое использование положений теории информации
для решения задач диагностирования будет рассмотрено в последу(
ющих главах.

1.5.4. Оптимизация диагностического процесса
Под оптимальным диагностическим процессом условимся пони(
мать такой диагностический процесс, который позволяет достичь
требуемого результата при условии минимума (максимума) выб(
ранного критерия оптимальности. В качестве критерия может быть
принята продолжительность, общее число проверок, стоимость и др.
Для сложных технических систем, к которым относится локо(
мотив, первостепенное значение имеет поддержание их в исправ(
ном состоянии, готовом к эксплуатации. Для таких систем в каче(
стве основного критерия оптимизации может быть принята продол%
жительность диагностического процесса.
Минимизация продолжительности диагностических процедур
связана со скоростью уменьшения исходной неопределенности со(
36

стояния, т.е. скоростью получения информации. Под скоростью
получения информации Wi на этапе диагностирования понимают
отношение

Wj =

Jj
tj

,

где Jj — количество информации, полученное на j(м этапе диагностирования;
tj — продолжительность j(го этапа диагностирования.

На первом этапе диагностирования необходимо добиться вы(
полнения условия
J 
W1max =  1 
.
t 
 1 max

Учитывая результаты первого этапа диагностирования, опреде(
ляют второй этап, который обеспечивает максимальную скорость
получения информации:
J 
W2 max =  2 
.
t 
 2 max

Таким образом, оптимальный диагностический процесс харак(
теризуется рядом
W1max ,W 2 max , ...,Wn max ,
где n — число этапов диагностирования до определения отказавшего элемента.

С информативных позиций в качестве величины, характеризую(
щей оптимальность диагностического обследования λi по признаку
kj для диагноза Di, можно принять коэффициент
λij = Z D (k j ) / Cij ,
i

где Z D (k j ) — диагностическая ценность обследования по признаку kj для
i

диагноза Di;
Cij — коэффициент сложности обследования по признаку kj для диагноза
Di, характеризующий трудоемкость и стоимость обследования, его достовер(
ность и другие факторы.

37

Коэффициент оптимальности обследования для всей системы
диагнозов
n

n

λ j = ∑ P (Di )Z D (k j ) / ∑ P (Di )Cij = Z D (k j ) /C j .
i =1

i

i =1

i

Если были проведены испытания в последовательном порядке
по признакам kα, kβ, то для оптимального плана процесса должна
быть максимальной величина

λ=

Z D (kα ) + Z D (kβ /kα* ) + Z D (kγ /kα* kβ* ) + ...
Cα + Cβ + C γ + ...

.

В числитель этого выражения входят математические ожидания
диагностических ценностей обследования. Первым в планируемой
очередности проводится обследование по признаку с наибольшим
частным коэффициентом оптимальности и т.д.
План дальнейших обследований, составленный после получе(
ния результатов первого, должен исходить из максимума:

λ=

Z D (kβ /kα* ) + Z D (kγ /kα* kβ* ) + ...
Cβ + C γ + ...

.

Построение такого процесса требует рассмотрения очень боль(
шого числа вариантов, что затрудняет его использование. В прак(
тических задачах может быть использовано построение процесса,
близкого к оптимальному с «предсказанием» на несколько шагов.
Например, для наиболее простого одношагового процесса в качестве
первого обследования принимается обследование с наибольшим
коэффициентом оптимальности
λ = Z D (kα ) / C α .

Вторым назначается обследование, дающее максимум:

λ = Z D (kβ /kα* ) / Cβ ,
и т.д.

38

Для двухшагового процесса соответственно исходим из величин

λ=

λ=

Z D (kα ) + Z D (kα /kβ )
C α + Cβ

;

Z D (kβ /kα* ) + Z D (kγ /kα* kβ* )
Cβ + C γ

.

Двухшаговый процесс по сравнению с одношаговым позволяет
более обоснованно выбрать очередность обследований, так как при
этом учитывается не только ценность изолированного обследова(
ния, но и его прогнозируемая эффективность в сочетании с после(
дующим. Если в результате первых обследований установлено, что
наиболее вероятным является диагноз Di и дальнейшие обследова(
ния необходимы для подтверждения диагноза, то при определении
коэффициентов оптимальности целесообразно исходить из диагно(
стических ценностей для данного диагноза.

1.6. Диагностические параметры
Функционирование любого технического объекта может быть
охарактеризовано совокупностью множества параметров. Если го(
ворить о локомотиве, то целесообразно принимать во внимание
такие параметры, как мощность дизель(генераторной установки
(ДГУ) по позициям контроллера машиниста, удельный расход топ(
лива, количество вредных выбросов, частота вращения коленча(
того вала, давление наддува и т.д. Следует уточнить, что сложные
технические объекты в большинстве случаев характеризуются мно(
жеством параметров, имеющих различную физическую природу
(табл. 1.3).
Таблица 1.3
Параметры диагностирования

39

40

Не все параметры могут быть приняты в качестве диагностичес(
ких. Для того чтобы параметр был выбран как диагностический, он
должен соответствовать ряду требований: доступность к его изме(
рению; высокая информативность; помехозащищенность; достовер(
ность; чувствительность; однозначность; стабильность; способ(
ность к преобразованию при использовании автоматических
средств обработки информации; безопасность.

1.6.1. Классификация диагностических параметров
Множество диагностических параметров (ДП) можно разделить
на отдельные подмножества по различным признакам. На рис. 1.4
представлена классификация диагностических параметров по четы(
рем классификационным признакам: образования, изменения во
времени, способу измерения, иерархии [1].
По принципу образования ДП разделяются на параметры струк(
турные и рабочих и сопутствующих процессов.
Параметры рабочих процессов характеризуют процесс функци(
онирования и функциональное состояние объекта диагностирова(
ния (ОД). Например, для тепловозного дизеля такими параметра(
ми являются максимальное давление сгорания, удельный расход
топлива, содержание вредных выбросов в отработанных газах и т.д.
Сопутствующий процесс неразрывно связан с протеканием ос(
новного рабочего процесса. Он также характеризуется рядом па(
раметров. В сопутствующих процессах могут быть выделены
41

Рис. 1.4. Классификация диагностических параметров

признаки, по которым можно оценить параметры основного рабо(
чего процесса. Использование параметров сопутствующих процес(
сов для оценки основного рабочего процесса оправдано в том слу(
чае, когда непосредственное измерение параметров основного про(
цесса невозможно или затруднительно. Примером диагностического
признака является концентрация продуктов изнашивания деталей
тепловозного дизеля в моторном масле, величина которой характе(
ризует степень износа контролируемых деталей.
Обычно структурные параметры (параметры технического состо(
яния), определяющие связь и взаимодействие между элементами
механизма и его функционирование в целом, представляют собой
характеристики физических процессов, происходящих в объекте
диагностирования и характеризующих качество структурных свя(
зей сопрягаемых деталей.
По характеру изменения во времени параметры делятся на воз(
растающие (уровень вибрации, износ, удельный расход и т.д.); убы(
42

вающие (диаметр вала, прочностные характеристики и т.д.); линей(
ные и нелинейные, характеризуемые видом функциональной за(
висимости; дискретные, имеющие конечное множество значений
(угол опережения впрыска топлива, количество срабатываний и т.д.);
непрерывные (величина износа, концентрация продуктов изнаши(
вания и т.д.). Непрерывные диагностические параметры применя(
ются для решения задачи прогнозирования остаточного ресурса.
По способу измерения диагностических параметров их можно
разделить на прямые (например, измерение зазора в сопрягаемых
деталях с помощью щупа) и косвенные, когда износ оценивается
по значению концентрации химического элемента (например, меди)
в смазочном материале, содержащемся в материале изнашиваемой
детали (бронзовые втулки).

1.6.2. Способы выбора диагностических параметров
Техническое состояние локомотива характеризуется большим
количеством структурных параметров. Чем больше параметров бу(
дет контролироваться в процессе эксплуатации локомотива, тем
точнее и достовернее будет диагноз. Увеличение количества диаг(
ностических параметров приводит к увеличению полноты охвата.
С одной стороны, использование большого количества параметров
для диагностических целей позволяет добиться положительных
результатов, с другой — удорожает процесс диагностирования и сни(
жает надежность работы диагностической системы. Для того чтобы
диагностическая система работала с максимальной эффективнос(
тью, в каждом конкретном случае необходимо решить задачу выбо(
ра минимально достаточного количества диагностических парамет(
ров.
Существует несколько методик определения необходимого на(
бора диагностических параметров. В общем случае выбор ДП про(
изводится по логическим оценкам причинно(следственных связей
между параметрами и дефектами. Рассмотрим два способа выбора
диагностических параметров: по критерию обеспечения заданной
надежности и информативному критерию.
Выбор диагностических параметров по критерию обеспечения
заданной безотказности. Зачастую при организации перевозочной
или маневровой работы необходимо обеспечить минимально необ(
ходимый уровень надежности работы локомотивов. В противном
43

случае запланированный объем работ не будет выполнен из(за час(
тых отказов. При помощи средств диагностирования в процессе
эксплуатации и ремонта своевременно выявляются зарождающие(
ся неисправности. Узлы и детали ремонтируются или заменяются
на плановых или неплановых ремонтах, тем самым предотвращает(
ся катастрофическое разрушение неисправных деталей и узлов,
сокращается простой локомотива в ремонте. Эту задачу можно ре(
шить, охватив все узлы локомотива диагностированием с использо(
ванием большого числа контролируемых (диагностических) парамет(
ров. Однако, при таком подходе резко увеличиваются затраты на
диагностирование и простой локомотива. Методика позволяет ус(
тановить минимально необходимое количество и перечень диагнос(
тических параметров, которые позволят выполнить поставленную
задачу — обеспечить требуемый уровень надежности работы локо(
мотива, а именно — его безотказности.
Для реализации методики должны быть известны или необходи(
мо предварительно установить надежностные характеристики под(
систем, узлов и блоков по всем выходным параметрам.
Обозначим символом Z диагностический параметр. Предполо(
жим, что общее число параметров равно k. Если элемент исправен
по параметру Zi, то его состояние обозначим Z i(1) , если неиспра(
вен — Z i(0) . Принимаем, что известны следующие надежностные
характеристики: P

Z1(1)

— вероятность исправного состояния локо(

мотива по параметру Z1; P (1) (1) — вероятность исправного со(
Z /Z
2

1

стояния локомотива по параметру Z2 при условии, что локомотив
исправен по параметру Z1; P (1) (1) — вероятность исправного со(
Z k / Z k –1

стояния локомотива по параметру Zk, при условии, что по всем
Zk–1 параметрам локомотив исправен.
Надежностные характеристики локомотива определяются на за(
данном интервале эксплуатации локомотива T. Вероятность исправ(
ного состояния локомотива на интервале T
k

P (T ) = ∏ P
i =1

44

Z i(1) / Z i(1)
−1

(T ).

Чтобы повысить надежность работы локомотива, часть (n из k)
параметров контролируют через интервал t < T. Тогда вероятность
безотказной работы локомотива повышается до значения
n

k

P (T ) = ∏ P (к)
i =1

где P (к)

(t )

Z i(1) / Z (1)
i −1

∏

j =n +1

P (н)
(1)

Z j / Z (1)
j −1

(T ),

(1.9)

(t ) — условная вероятность исправного состояния локомотива по

(1) (1)
Zi /Z
i −1

параметрам, контролируемым через интервал t;
P (н)
(1)

Z j / Z (1)
j −1

(T ) — условная вероятность исправного состояния локомотива по

неконтролируемым параметрам на интервале T.

Анализ формулы (1.9) позволяет сделать вывод, что максималь(
ное увеличение вероятности исправного состояния локомотива на
интервале T можно достичь, выполняя условие: в группу контроли(
(к)
руемых параметров Z i (t ) через интервал t попадут параметры, по

которым вероятность исправного состояния локомотива на интер(
вале T будет минимальной, а в группу неконтролируемых парамет(
(н)
ров Z i (T ) попадут параметры, вероятность исправного состоя(
ния локомотива по которым на интервале T будет максимальной.
(к)
(н)
При этом Z i + Z i = Z k .
Если задана допустимая вероятность безотказной работы объек(
та P0(T), то такое распределение минимизирует число контролиру(
емых параметров n, обеспечивающее Pi(T) ≥ P0(T). Правило выбора
необходимого минимального количества диагностических пара(
метров по критерию обеспечения заданной безотказности можно
сформулировать следующим образом: из k параметров выбирается

такой Zi, для которого P

Z i(1)

(T ) → min . Из оставшихся параметров

выбирается Zi, для которого P

Z i(1) / Z 1(1)

(T ) → min . Процедура выбора

необходимого набора (n) диагностических параметров заканчива(
ется тогда, когда выполняется условие Pi(T) ≥ P0(T).

45

Выбор диагностических параметров по информативному критерию.
Информационные характеристики диагностических параметров
описаны в п. 1.5.2. Информативность диагностического параметра
оценивается по величине уменьшения энтропии диагностируемого
объекта. Среднее количество информации о техническом состоя
нии диагностируемого объекта, получаемое при контроле набора
{Zk, Zl, …}, составляет, бит,
n

I (Z k , Z l , ...)  H 0  H (Z k , Z l , ...),

где H 0   ∑ PZ log2 PZ — начальная неопределенность сведений о состоянии
i
i

i 1
объекта перед
контролем;
H{Zk, Zl, …} — неопределенность, остающаяся после контроля параметров
{Zk, Zl, …}.

В основу этого метода положен анализ таблицы состояний (табл.
1.4), в которой столбцы соответствуют возможным состояниям си
стемы Si, а строки — всем возможным проверкам (параметрам) Zi.
Контроль каждого параметра заканчивается двумя исходами: 1 —
когда значение параметра допустимо, и 0 — когда значение пара
метра недопустимо. Каждое событие равновероятно, вероятность
каждого состояния P(Si) известна и определяется надежностью
блоков.
На первом шаге выбора диагностических параметров рассчиты
вают остаточную энтропию объекта после контроля каждого из Zk
параметров. Далее выбирают самый информативный параметр.
В нашем случае это пятый параметр, снижающий исходную энтро
пию объекта до значения 2,46 бита. Если таких параметров будет
несколько, то необходимо выбрать один из них по другому крите
рию, например, по стоимости диагностирования, времени простоя,
трудоемкости и т.п. На втором шаге выбора рассчитывают остаточ
ную энтропию объекта при условии диагностирования комбинации
выбранного на первом шаге параметра со всеми остальными пара
метрами. По результатам расчета выбирают самую информативную
комбинацию параметров. В нашем примере это комбинация 53.
Процесс заканчивается, когда остаточная энтропия становится рав
ной нулю.
Информативный критерий выбора диагностических параметров
позволяет установить их минимальное количество, позволяющее
однозначно установить техническое состояние объекта диагности
46

рования. Одновременно с выбором диагностических параметров
решается задача построения алгоритма диагностирования.
Таблица 1.4
Таблица состояний объекта контроля

Пример расчета и выбора диагностических параметров. Допустим, что тех(
ническая система состоит из N = 11 элементов. За возможные состояния сис(
темы примем отказ каждого элемента. Контроль системы может осуществлять(
ся по десяти параметрам (k = 10). В результате исследования отказов элемен(
тов системы составлена матрица исходов (табл. 1.5). Вероятности отказов каж(
дого элемента принимаются равными: P(Si) = 1/N = 1/11.
Исходная неопределенность системы определяется количеством возмож(
ных состояний H(Si) = log2N = log211 = 3,46 бита.
Обозначим через m1 — число единиц в каждой строке таблицы, m0 — чис(
ло нулей в той же строке. Остаточная неопределенность при контроле каждо(
го параметра на первом шаге вычисляется по формуле

Н ( A/Z k ) =

m1
N

log2m1 +

m0
N

log 2m0 .

(1.10)

Результаты расчета остаточной энтропии приведены в последнем столбце
табл. 1.5.
Очевидно, что параметр, у которого наименьшая остаточная неопределен(
ность, дает наибольшую информацию и поэтому он контролируется в первую

47

48
Таблица состояний

Таблица 1.5

49

очередь. Таким параметром на первом шаге будет Z1 или Z7. При наличии двух
и более параметров с равной информативностью выбор осуществляется по
другим критериям, например, времени или стоимости диагностирования.
Предположим, что мы выбрали параметр Z1. На втором шаге рассчитывается
информативность комбинации двух параметров — выбранного в сочетании со
всеми остальными.
Остаточная неопределенность системы рассчитывается по формуле (1.11),
где учитывается число комбинаций 0 и 1:
H ( A/Z k , Z l ) 

m11
N

log2m11 

m01
N

log2m01 

m10
N

log2m10 

m00
N

log2m00 ,

(1.11)

где m11 — число единиц строки l, приходящееся на m1 единиц строки k табли$
цы неисправностей;
m01 — число нулей строки l, приходящееся на m1 единиц строки k;
m10 — число единиц строки l, приходящееся на m0 нулей строки k;
m00 — число нулей строки l, приходящееся на m0 нулей строки k.
По результатам расчетов выбирается комбинация параметров с минималь$
ной остаточной неопределенностью. Во второй части таблицы приведены со$
стояния элементов при парных сочетаниях ранее выбранного параметра Z1 с
каждым из оставшихся параметров. Из последнего столбца видно, что следу$
ющим по информативной значимости является параметр Z7. Для него услов$
ная неопределенность равна H(S/Z1, Z7) = 1,479.
При выборе третьего параметра просматриваются тройки из уже выбран$
ной пары параметров Z1, Z7 и каждого из оставшихся.
Остаточная неопределенность рассчитывается по формуле

H ( A/Z1, Z 7, Z n ) 


m100
N

m111
N

log2m111 

log2m100 

m010
N

m011
N

log2m011 

log2m010 

m001
N

m101
N

log2m101 

log2m001 

m000
N

m110
N

log2m110 

log2m000 .

Из третьей части таблицы видно, что наименьшую остаточную условную
неопределенность имеет комбинация параметров Z1 – Z7 –Z5.

1.6.3. Нормативные значения диагностических параметров
Принятие решения об отнесении диагностируемого объекта к
тому или иному виду состояния осуществляется по результатам
сравнения значения измеренного параметра с установленным пре$
дельным. В Правилах технического обслуживания и ремонта теп$
ловозов для каждой серии тепловозов и типов основных узлов ус$
тановлены предельные значения (допуски) параметров при выхо$
50

де из ремонта (ремонтные допуски) и в эксплуатации (браковочные
допуски), выход за границы которых классифицирует техническое
состояние как неисправное. Применение вновь разрабатываемых
методов диагностирования требует от разработчика установления
и обоснования нормативных значений применяемых диагности$
ческих параметров. К числу нормативных ДП относятся (рис. 1.5):
номинальное значение параметра Zн, его предельное значение Zпр
и упреждающее (допустимое) значение Zуп.
Множества значений параметра Z ограничены номинальным и
предельным или упреждающим значениями (при одностороннем
допуске) или между предельными или упреждающими значениями
(при двустороннем допуске) и образуют соответственно предельные
и упреждающие поля допусков.
В зависимости от специфики параметров и влияния их на безо$
пасность движения и на основные показатели эффективности ра$
боты тепловоза нормируемые значения параметров можно условно
разделить на две группы: устанавливаемые ГОСТами и рекомендуе$
мые заводами$изготовителями. Нормативные значения ДП первой

Рис. 1.5. Схема формирования нормативных значений диагностических
параметров:
1 — зона предотказного состояния; 2 — запас исправной работы, соответствую$
щий межконтрольному пробегу; 3 — зона работоспособного исправного состо$
яния; А — профилактика (упреждение дефекта); В — дефект; С — отказ; l —
заданная периодичность плановой диагностики

51

группы относятся, как правило, к сборочным единицам тепловоза,
определенным образом влияющим на обеспечение безопасности
движения, а также к сборочным единицам и системам тепловоза,
от которых зависят шум, вибрация, токсичность и дымность отра(
ботавших газов дизеля. В эксплуатации корректировка норматив(
ных значений параметров этой группы допускается только в сторо(
ну ужесточения.
Нормативные значения ДП второй группы, с одной стороны, свя(
заны с технологическими допусками структурных параметров на
изготовление элементов сборочных единиц и систем, а с другой —
с оптимальными показателями надежности и экономичности ра(
боты тепловоза. Нормативные значения структурных параметров
устанавливают на стадии проектирования и корректируют при завод(
ских и эксплуатационных испытаниях опытных тепловозов. При(
мером нормативных значений таких параметров являются: уста(
новленные нормативно(технической документацией зазоры в сопря(
жениях элементов основного оборудования, технологические до(
пуски на сопротивление резисторов и емкости конденсаторов и т.д.
К определению нормативных значений ДП тепловозов возмож(
ны два подхода:
1) детерминистский, при котором отклонение выходного пара(
метра системы от номинального значения может быть определено
по изменению величин структурных параметров и характера вход(
ного сигнала;
2) статистический, учитывающий вероятностные процессы из(
менения технического состояния тепловоза. Использование стати(
стических данных позволяет учесть техническую, экономическую и
организационную стороны производства и эксплуатации теплово(
зов. Статистическое определение и последующая корректировка
нормативных значений являются основой объективного диагнос(
тирования тепловоза.
При определении нормативных значений ДП тепловозов стати(
стическими методами могут быть приняты два вида критериев оп(
тимальности нормативных значений ДП: обеспечение вероятности
выхода параметра Z за границу ремонтного допуска δр в течение меж(
ремонтного периода не выше допустимого значения РЕ(доп) ; мини(
мум суммарных затрат от ошибок диагностирования и, как следствие,
52

от ухудшения экономичности теп(
ловоза. На рис. 1.6 представлена
схема разброса параметров работы
узла тепловоза в процессе эксплуа(
тации.
Вероятность того, что значение
параметра находится в поле допуска,
∞

Pδ = P (Z ≤ Z пр ) =

∫

f (Z )dZ ,

Z пр

а вероятность того, что значение
параметра выйдет за пределы Zв
поля допуска,

Рис. 1.6. Определение норматив(
ных значений диагностических
параметров статистическими ме(
тодами

∞
(доп)
Рпр

=1−
Z

∫
пр

∞

f (Z )dZ = 1 −

∫

f (Z )dZ ,

Z пр +δр

где Zпр = Zн + δр — верхняя граница поля допуска на параметр;
Zн — номинальное значение параметра;
δр — допустимое отклонение параметра от номинального значения.

Для нормального закона распределения параметра

1   Z н + δр − mZ
(доп)
= 1 − Ф 
Pпр
2  
σZ


 
 + 1 ,
 
 

где mZ — математическое ожидание значения параметра;
σZ — среднее квадратическое отклонение.

Наиболее трудоемкой операцией при использовании статисти(
ческого метода является построение кривой закона распределения
параметра f(Z) по выборке значений параметра в границах Zmin –
Zmax, включающей в себя номинальное значение Zн. Параметры
закона распределения f(Z) рассчитываются вероятностными мето(
дами по гистограмме распределения. Используя вероятностные ме(
тоды и законы математической статистики, можно выбрать опти(
мальное значение диагностического параметра.

53

1.7. Диагностические модели
Создание систем диагностирования предполагает решение таких
вопросов, как исследование их свойств и характеристик, исследо(
вание объектов диагностирования, выбор методов и разработка ал(
горитмов диагностирования.
Исследование объектов диагностирования включает в себя изу(
чение реальных физических объектов, а также построение и анализ
моделей этих объектов. В тех случаях, когда проведение экспери(
ментального исследования реального объекта в необходимом объе(
ме затруднено или невозможно, а также при разработке нового
объекта, исследование может быть выполнено на моделях.
Моделирование как метод научного исследования широко при(
меняется в технической диагностике не только при изучении объек(
тов, но и при разработке алгоритмов и средств диагностирования,
исследовании эффективности систем диагностирования.
Под моделированием объекта диагностирования понимается
построение (или выбор) и анализ диагностической модели с целью
получения информации, необходимой для определения конечно(
го множества возможных технических состояний этого объекта.
При анализе модели устанавливаются реакции объекта на появ(
ление различных дефектов, формируется массив информации об
объекте, необходимый при практическом диагностировании. Из
множества возможных дефектов объекта обычно рассматриваются
и имитируются на модели только наиболее характерные, так как
даже для объектов диагностирования небольшой сложности число
возможных дефектов и их комбинаций велико, а с увеличением
числа учитываемых дефектов размерность модели быстро растет.
Моделирование объектов диагностирования может быть полным
и неполным. Поскольку математические модели объектов явля(
ются основой формальных методов разработки программ диагно(
стирования, неполнота моделирования приводит к неполноте про(
верки и поиска дефектов в реальных объектах.
Методы, основанные на исследовании аналитических описаний
или графоаналитических представлений основных свойств техни(
ческих объектов как объектов диагностирования, могут быть на(
званы их диагностическими моделями. В качестве диагностических
моделей могут рассматриваться дифференциальные уравнения,
логические соотношения, диаграммы прохождения сигналов и др.
54

Явная модель объекта диагностирования включает в себя сово(
купность формальных описаний всех необходимых технических
состояний.
Неявная модель объекта технического диагностирования содер(
жит формальное описание одного технического состояния и пра(
вила получения всех других технических состояний на основе за(
данного. Чаще всего исправное состояние объекта является задан(
ной моделью, по которой получают все остальные модели техни(
ческого состояния объекта.
Исследование диагностической модели предусматривает [14]:
– формулировку условий работоспособности, т.е. условий раз(
деления множества N на два подмножества: работоспособных N1 и
неработоспособных N2 состояний;
– получение критерия для оценки степени работоспособности
объекта диагностики (различение состояний в подмножестве N1);
– установление признаков возникших неисправностей (разли(
чение состояний в подмножестве N2).
Из определения диагностической модели видно также, что мо(
делирование объектов может быть мысленным (идеальным) и пред(
метным (материальным). Оба указанных вида моделирования мо(
гут быть осуществлены в реальном и в измененном времени.
В большинстве случаев анализ моделей объектов диагностиро(
вания выполняется задолго до практического диагностирования
реальных объектов, т.е. в опережающем по времени режиме.
В работе [27] приведена таблица, анализ которой позволяет оз(
накомиться с видами диагностических моделей и областью их при(
менения (табл. 1.6).
Известны различные способы построения диагностических мо(
делей: по результатам обобщения производственного опыта, логи(
ческого анализа, теоретических и экспериментальных исследова(
ний. Во многих случаях построение модели может быть осуществле(
но на базе основных физических законов в такой последовательно(
сти: выбор структуры модели, оценка ее параметров, проверка
соответствия модели объекту. Однако с ростом сложности объектов
диагностирования появились специальные методы построения мо(
делей, основанные на использовании упрощенного описания пове(
дения объекта как целого, осуществляющего преобразование вход(
ных величин в выходные. При этом не всегда учитывается физи(
ческая природа объекта. Одним из методов построения диагности(
55

56
Классификация диагностических моделей (ДМ)

Таблица 1.6

ческих моделей является идентификация, основанная на результа(
тах активного или пассивного эксперимента в условиях нормаль(
ного функционирования объекта.
По способу воспроизведения диагностические модели можно
разделить (рис. 1.7) на предметные (материальные) и мысленные

Рис. 1.7. Классификация диагностических моделей по способу воспроизведения

57

(идеальные). Под предметной моделью понимается материальный
объект, подобный объекту диагностирования и способный заме(
щать его при исследовании. Мысленная диагностическая модель
фиксируется на том или ином языке (естественном, математичес(
ком, логическом, языке схем, чертежей и т.д.).
Предметные модели включают в себя пространственно(времен(
ные, физические и предметно(математические модели, а мысленные
разделяются на инженерно(логические (наглядно(образные) и ло(
гико(математические (знаковые).
Пространственно(временные модели отражают пространствен(
но(временные отношения между отдельными частями объекта ди(
агностирования.
Физические модели имеют ту же физическую природу, что и
объекты диагностирования, отличаясь от них в общем случае лишь
численными значениями параметров, входящих в критерии подобия.
Предметно%математические модели создаются из элементов иной
физической природы, чем объект диагностирования. Необходимая
адекватность модели и объекта диагностирования обеспечивается
тем, что они описываются одной и той же системой математичес(
ких зависимостей.
Предметно(математические модели в специальной литературе
называют просто математическими. Новый термин здесь использо(
ван для того, чтобы отличить их от логико(математических моде(
лей, которые в технической диагностике широко применяются са(
мостоятельно, без предметной интерпретации.
Известны два основных вида предметно(математических моде(
лей: модели прямой и непрямой аналогии. Модели прямой аналогии
основываются на непосредственной связи между параметрами фи(
зически различных объекта и модели. Такими моделями для объек(
тов диагностирования непрерывного действия (непрерывных объек(
тов) обычно являются различные физические цепи (электрические,
механические и т.д.), а для объектов диагностирования дискретного
действия (дискретных объектов) — логические устройства — конеч(
ные автоматы. Различают два основных класса конечных автома(
тов: без памяти (комбинационные или однотактные) и с памятью
(последовательностные или многотактные).
Диагностическими моделями непрямой аналогии служат вычисли(
тельные машины различных типов: аналоговые для непрерывных
58

объектов и цифровые для дискретных. В ряде случаев логические
устройства и цифровые вычислительные машины используются в
качестве предметно(математических моделей непрерывных объек(
тов при соответствующей дискретизации непрерывных величин.
Инженерно%логические (наглядно%образные) диагностические моде(
ли широко применяются в процессе производства и эксплуатации
железнодорожной техники инженерно(техническим персоналом,
имеющим опыт поиска и устранения дефектов без использования
совершенных средств диагностирования.
Разработка формальных методов построения программ провер(
ки технического состояния и поиска дефектов в объектах связана с
решением задач большой размерности и сложности. Вызванное этим
ограничение глубины поиска дефекта в общей системе диагности(
рования указанием составной части объекта с точностью, до кото(
рой определяется место дефекта, обусловливает необходимость
применения локальных систем диагностирования отдельных частей
объекта.
Во многих случаях локальное диагностирование выполняется
инженерно(техническим персоналом на базе наглядно(образных
моделей в форме технических гипотез, наглядных аналогов и т.д. с
использованием методов функциональных проб, осмотров и др.
Наглядно(образные модели часто являются основой для постро(
ения логико(математических (знаковых) моделей, которые описы(
вают определенные связи и зависимости в объектах диагностиро(
вания в понятиях и символике логики и математики.
К логико%математическим диагностическим моделям относятся
модели(описания (обобщения), модели(интерпретации и модели(
аналоги.
Модели(описания (обобщения) являются формальным описани(
ем основных закономерностей, которые присущи определенным
классам объектов диагностирования и представляют интерес для
исследователя. Обычно в качестве моделей(описаний используют(
ся известные физические законы, сформулированные на соответ(
ствующем формальном языке.
Модели(описания по своей природе являются обобщениями;
они всегда имеют более общий характер, чем конкретный объект
моделирования. Модели(интерпретации, наоборот, всегда являют(
ся менее общими, более конкретными по сравнению с объектом
моделирования.
59

Примерами моделей(интерпретаций в технической диагностике
могут служить алгоритмы и программы решения на ЭВМ уравне(
ний, в свою очередь являющихся моделями(описаниями объектов
диагностирования. Алгоритм как совокупность предписаний о пос(
ледовательности действий для нахождения решения уравнений раз(
рабатывается на основании имеющейся модели(описания, причем
один и тот же результат может быть получен с помощью различных
алгоритмов. Программа по существу представляет собой тот же ал(
горитм, записанный на языке, удобном для ЭВМ. Она является мо(
делью(интерпретацией по отношению к модели(описанию, но для
алгоритма это модель(аналог. Подобную роль выполняют алгоритм
и программа поиска дефектов по отношению к модели(описанию
объекта диагностирования.
Модели(аналоги являются логико(математическими моделями,
равными по общности моделируемым объектам. Как уже было ска(
зано, машинная программа решения уравнения по существу есть
модель(аналог по отношению к алгоритму решения этого уравнения,
записанная на другом формальном языке. Различные тупиковые
формы логических функций, полученные в результате минимизации
исходной дизъюнктивной совершенной нормальной формы, явля(
ются тождественными моделями(аналогами по отношению к ней.
Для технической диагностики весьма удобной является аппрок(
симация функций многих переменных с помощью функций мень(
шего числа переменных, поскольку она одновременно решает за(
дачу уменьшения размерности модели.
К модели(аналогу, полученной на базе аппроксимации, относит(
ся также асимптотическое выражение функции. Например, такой
моделью функции f(x) при x → a будет функция q(x) ≠ 0, если со(
блюдается условие lim

x →a

f (x )

q (x )

= 1.

Известны так называемые эквивалентные модели(аналоги, ко(
торые не тождественны моделируемым объектам (например, модели(
описанию) не только по своей структуре, но и по символическому
языку. Они аналогичны им только в каком(то одном отношении,
например при определенных численных значениях входных величин,
соответствующих режиму диагностирования, выдают одинаковые с
объектами сигналы.
60

В качестве моделей(аналогов используются также различные
формулы (Ньютона, Лагранжа и др.), позволяющие получить ана(
литическое выражение функциональной зависимости в случае, когда
известны лишь значения функции в дискретном ряде точек.

1.7.1. Модели непрерывных объектов
В самом общем случае диагностируемый технический объект
можно представить как «черный ящик», в котором входные вели(
чины xi в процессе функционирования объекта преобразуются в
выходные yi (рис. 1.8). Такое преобразование можно записать




(1.12)
Y = AX ,

 

где X и Y — соответственно векторы входных и выходных величин;

 

А — оператор, характеризующий преобразования X в Y .

Таким образом, в качестве диагностической модели можно рас(
сматривать оператора А. Если А соответствует номинальному зна(
чению А0 или находится в пределах допуска, то объект считается
исправным. Объект, имеющий оператор А, который преобразует
совокупность входных величин, принимающих значения из конти(
нуальных (от лат. continuum — непрерывный) множеств, в совокуп(
ность выходных величин из таких же множеств, относится к классу
непрерывных. Для практических задач диагностирования использу(
ется оператор А, имеющий линейный вид. Нелинейность операто(
ра А значительно затрудняет его использование в качестве диагнос(
тической модели.
При решении диагностических задач с использованием анали(
тических моделей приходится сталкиваться с большим объемом
вычислений. В настоящее время возможности персональных вычис(
лительных машин позволяют без особых затруднений преодолевать
эту проблему. Тем не менее можно существенно сократить объем
вычислений, применив для анализа технического состояния объек(
та диаграмму прохождения сиг(
налов.
Графическое изображение
диаграммы прохождения сигна(
лов представляет собой схему,
состоящую из узлов, соединен(
Рис. 1.8. Структурная схема объекта
диагностирования
ных направленными ветвями, и
61

Рис. 1.9. Правила упрощения диаграмм прохождения сигналов

62

выражающую систему алгебраических уравнений. Узлы (точки, вы(
ражающие переменные величины) бывают трех типов: источники,
простые каскадные узлы и стоки. Источники — узлы, которые име(
ют только выходящие ветви; стоки — узлы, имеющие только вхо(
дящие ветви. Простые каскадные узлы имеют как входящие, так и
выходящие ветви. Каждой ветви, т.е. линии, соединяющей два узла,
соответствует оператор, обозначаемый Tij, где i — узел, откуда на(
чинается ветвь, а j — узел, где ветвь заканчивается. Направление
ветви указывается стрелкой. Каждому узлу соответствует своя пе(
ременная (сигнал). Сигнал каждого узла xk равен сумме входящих
сигналов:

xk = ∑ x jTij ( j = 1, 2, 3,...).
Ветвь, у которой оператор имеет индексы, расположенные в по(
рядке возрастания (T01, T34), называется прямой. Обратной назы(
вается ветвь, у которой оператор имеет индексы, расположенные в
порядке убывания (T43, T10).
Диаграмму прохождения сигналов можно существенно упрос(
тить, пользуясь правилами преобразований 1—5, показанными на
рис. 1.9. Эти преобразования позволяют заменить параллельные и
последовательные пути отдельными ветвями и соответствуют ис(
ключению зависимых переменных из уравнений.

1.7.2. Модели дискретных объектов
В дискретных объектах связь входных и выходных величин за(
висит не только от состояния, но и от положения отдельных эле(
ментов. В качестве примера дискретных объектов можно привести
различные системы автоматического управления.
Для анализа дискретного объекта диагностирования применяют
аппарат теории конечных автоматов. В качестве модели объекта
можно рассматривать некоторый конечный автомат, который ха(
рактеризуется входными X = (x1, x2, …, xn), выходными Y = (y1,
y2, …, ym) алфавитами (алфавит — конечный набор различных сим(
волов, иными словами — множество символов) и конечным мно(
жеством положений Z = (z1, z2, …, zk). В общем случае последова(
тельностная машина (рис. 1.10), включающая конечный автомат КА
и преобразователь П, может быть задана функциями переходов F 0
и выходов Ф0 , т.е.
63

zt +1 = F 0 (zt , x t );

y t = Ф0 (zt , x t ),

Рис. 1.10. Структурная схема после(
довательностной машины

где символы t и t + 1 определяют при(
надлежность величин соответственно
в моменты времени t и t + 1.

Наиболее распространенной
формой задания слов (строка
символов, создаваемая через конкатенацию, т.е. через соединение),
является представление их лентами, т.е. таблицами, в которых ука(
заны значения входных и выходных символов и положений авто(
мата для каждого такта (табл. 1.7).
Таблица 1.7
Форма задания входных слов

При анализе модели дискретного объекта, представленной маши(
ной, удобно пользоваться так называемой основной таблицей пос(
ледовательностной машины, которая получается совмещением таб(
лицы преобразователя и основной таблицы конечного автомата.
Основная таблица автомата (табл. 1.8) содержит число строк, рав(
ное числу положений автомата, число же столбцов равно числу
входных символов. Таблица преобразователя (табл. 1.9) показыва(
ет в соответствии с функцией Ф0 связь между x, z, y. Для получе(
ния основной таблицы последовательностной машины в каждую
клетку основной таблицы конечного автомата (см. табл. 1.8), ко(
торая содержит символ zt+1 (если строка соответствует символу zt,
а столбец — символу xt), необходимо вписать из табл. 1.9 символ
yt+1 в соответствии с функцией выходов Ф0, как это показано в
табл. 1.10.
Представив модель объекта в виде основной таблицы последо(
вательностной машины, можно установить все возможные комби(
нации входных символов, которые пропускает объект. Это позво(
ляет определить набор лент, необходимых для решения задач диаг(
ностики, и сформулировать условие работоспособности объекта.
64

Для обнаружения неисправности внутри отдельных дискретных эле(
ментов в качестве модели можно с успехом использовать диаграм(
му прохождения сигналов.
Таблица 1.8
Основная таблица автомата

Таблица 1.9
Таблица преобразователя

Таблица 1.10
Основная таблица последовательностной машины

65

1.7.3. Функциональные модели
Функциональная модель представляет собой графическое
изображение объекта, в котором каждая выделенная часть (функ(
циональный элемент) обозначается прямоугольником a i с не(
сколькими входами xj и одним выходом yk, указанными стрелка(
ми (рис. 1.11). Количество входов соответствует числу воздействий,
которые необходимо приложить, чтобы получить реакцию на вы(
ходе элемента. Связи между элементами указаны линиями со
стрелками, обозначающими направление прохождения сигнала.
Состояние элемента оценивается 1, если при подаче всех допус(
тимых входов на выходе элемента возникает допустимая реакция.
Если же при подаче всех допустимых входов реакция элемента
окажется недопустимой, то его состояние оценивается 0. Если хотя
бы на один из входов подано недопустимое воздействие, то вы(
ходная реакция элемента должна быть тоже недопустимой.
Пользуясь функциональной моделью, можно задать все множе(
ство возможных состояний объекта. При этом мощность множества
состояний {Si} определяется числом возможных состояний функ(
циональных элементов модели. Каждый компонент множества (со(
стояние) представляется n(мерным вектором. Для модели, приве(
денной на рис. 1.11, вектор состояний Si шестимерный. Например,
если в объекте отказал второй элемент, то S(101111). Обычно при
анализе объектов с помощью функциональной модели предполага(
ется, что одновременно может отказать только один элемент.
Если принять проверку за реакцию одного из функциональных
элементов при подаче на модель всех допустимых внешних воздей(
ствий, то можно построить так называемую таблицу состояний

Рис. 1.11. Структурная схема функциональной модели

66

объекта. В таблице состояний число строк будет соответствовать
числу рассматриваемых состояний объекта Si, а число столбцов —
числу проверок πj (элементов) модели. При этом каждая строка бу(
дет содержать совокупность результатов всех проверок при одном
из состояний объекта, а каждый столбец — результаты одной про(
верки для всей совокупности рассматриваемых состояний объекта.
Так, для рассматриваемой модели таблица состояний имеет вид,
приведенный в табл. 1.11.
Таблица 1.11
Таблица состояний

Функциональная модель и составленная на ее основе таблица
состояний позволяет для решения диагностических задач исполь(
зовать формальный аппарат для определения оптимального коли(
чества необходимых проверок.

1.7.4. Модели дефектов
Дефект объекта — это физический дефект одного или несколь(
ких структурных элементов или связей между ними, приводящий
к отклонению характеристик соответствующих свойств от заданных
(допустимых) [38]. Наличие только одного дефекта конкретного
элемента называют одиночным дефектом этого элемента. Все воз(
можные сочетания дефектов в отдельных элементах и объектах счи(
таются кратными (одновременными) дефектами соответственно
элементов и объектов.
В процессе эксплуатации локомотива происходит непрерывный
процесс изменения свойств его элементов. Поэтому множество их
возможных состояний и дефектов бесконечно. Для упрощения
67

процесса диагностирования множество возможных состояний ло(
комотива и его элементов разбивают на конечное число групп со(
стояний таким образом, чтобы каждая из них обладала определен(
ными общими свойствами. Для решения этой задачи требуется по(
строение моделей дефектов.
Предположим, что объект име(
ет структуру, показанную на рис.
1.12. Установим, что множество
возможных состояний каждого
блока ограничено тремя группами
Рис. 1.12. Схема объекта с блочной
{0, 1, 2}: 0 — группа неработоспо(
структурой
собных состояний, 1 — группа ра(
ботоспособных и неисправных состояний, 2 — группа работоспо(
собных и исправных состояний. Исходя из этого, для объекта в це(
лом возможны девять различных групп состояний: 00, 01, 02, 10,
11, 12, 20, 21, 22. Исходным является состояние 22.
На рис. 1.13 в виде графа представлены все возможные перехо(
ды объекта под влиянием дефектов.

Рис. 1.13. Граф технических состояний объекта с блочной структурой

68

Анализ графа показывает, что любая группа состояний рассмат(
риваемого объекта может быть получена с помощью модели его ис(
ходного состояния и моделей обобщенных дефектов блоков и их
возможных комбинаций. Переход через границы видов состояний
осуществляется только под влиянием определенных дефектов. Ве(
роятности появления отдельных дефектов и их возможных комби(
наций различны, следовательно, различны вероятности отдельных
состояний. Наибольший интерес представляют наиболее вероят(
ные: дефекты, состояния и пути.

1.8. Контролепригодность локомотива
1.8.1. Основные понятия и определения
При создании современных локомотивов задаче обеспечения
требуемого уровня контролепригодности его систем уделяется
большое внимание. Бурное развитие системы диагностирования
локомотивов, невозможность совершенствования системы техни(
ческого обслуживания и ремонта без применения диагностичес(
ких средств предопределили необходимость решения этой задачи.
В соответствии с ГОСТ 20911(89 под контролепригодностью по(
нимают «свойство объекта, характеризующее его пригодность к
проведению диагностирования (контроля) заданными средствами
диагностирования (контроля)».
На локомотивах устанавливаются электронные системы безопас(
ности, автоматического регулирования и контроля, которые накап(
ливают информацию о параметрах работы основных узлов и сис(
тем. Эта информация может и должна быть использована для пер(
вичной оценки технического состояния локомотива.
В настоящее время для проведения реостатных испытаний теп(
ловозов широко внедряются автоматизированные комплексы «КИ(
ПАРИС», «АЛМАЗ», «МАГИСТРАЛЬ». Работы по расширению их
диагностических возможностей продолжаются. Гораздо большая
эффективность использования этих комплексов возможна при бо(
лее высоком уровне контролепригодности эксплуатируемых тепло(
возов.
Контролепригодность в плане обеспечения приспособленности
диагностирования тепловозов должно проводиться с целью повы(
шения эффективности их диагностирования при оптимальных зат(
69

ратах на разработку, изготовление, эксплуатацию и ремонт, преду(
сматривая для этого взаимную приспособленность и согласование
характеристик средств технического диагностирования и тепловоза
при диагностировании на этапе «эксплуатация и ремонт».
Формирование и реализацию требований по приспособленности
к диагностированию локомотивов следует осуществлять с учетом:
– необходимости обеспечения заданных требований по показа(
телям эффективности, надежности и безопасности движения;
– экологических факторов;
– технической реализуемости и экономической целесообразно(
сти, в том числе имеющихся ограничений по габаритам, массе, сто(
имости, затратам на техническое обслуживание и ремонт;
– особенностей существующей и перспективной системы тех(
нического обслуживания и ремонта локомотивов и направлений ее
совершенствования за счет использования методов и средств диа(
гностирования;
– номенклатуры внешних и встроенных систем диагностирова(
ния;
– результатов научно(исследовательских и экспериментальных
работ в области обеспечения приспособленности к диагностирова(
нию локомотивов.
В качестве исходных данных для обеспечения приспособленно(
сти локомотивов к диагностированию должны использоваться:
– техническое задание на разработку и модернизацию оборудо(
вания;
– технические условия на проведение диагностирования обору(
дования;
– сборочные чертежи или схемы оборудования;
– технические карты по ремонту узлов и агрегатов оборудования;
– номенклатура и каталоги серийно выпущенных и принятых к
производству датчиков и первичных преобразователей;
– результаты научно(исследовательских и экспериментальных
работ в области технического диагностирования.
Технические условия на проведение диагностирования оборудо(
вания локомотива должны включать:
– периодичность, вид и глубину диагностирования;
– перечень диагностических признаков, характеризующих тех(
ническое состояние оборудования;
70

– номинальные, допустимые и предельные значения диагности(
ческих признаков;
– применяемые средства диагностирования (внешние или встро(
енные).
Карты технического процесса по проведению технического диа(
гностирования должны содержать порядок и периодичность опро(
са встроенных датчиков, отвечающих общему алгоритму диагнос(
тирования.
Порядок обслуживания и ремонта локомотивов, приспособлен(
ных к диагностированию, должен быть отражен в эксплуатацион(
ной документации.
Контроль выполнения требований по приспособленности к диа(
гностированию осуществляется при проведении приемочных испы(
таний локомотивов по согласованным методикам и программам.
Конструкция локомотива должна обеспечивать возможность диа(
гностирования отдельных узлов и агрегатов оборудования без раз(
борки кроме вскрытия кожухов и люков для доступа к контроль(
ным точкам.
Конструкция локомотива должна также иметь необходимые ус(
тройства (встроенные датчики, первичные преобразователи, специ(
альные разъемы и зажимы) для подключения линий связи встроен(
ных и внешних систем диагностирования к контрольным точкам
оборудования, а также устройства переключения цепей локомо(
тива для поэлементного диагностирования отдельных их участков.
Устройства должны обеспечивать надежность многократного
присоединения и отсоединения систем диагностирования с помо(
щью типовых унифицированных сопряжений с учетом требований
безопасности, технической эстетики и эргономики.
В ГОСТ 26656(85 «Техническая диагностика. Контролепригод(
ность (общие требования)» приведены следующие термины и оп(
ределения:
– приспособленность к диагностированию — свойство изделия,
характеризующее его пригодность к проведению контроля задан(
ными методами и средствами технического диагностирования;
– показатель приспособленности к диагностированию — количе(
ственная характеристика приспособленности к диагностированию
изделия;
– контрольная точка — выходы изделия, с которых снимаются
средствами технического диагностирования ответы изделия (на ра(
71

бочие или тестовые воздействия). Выходы могут быть: основные —
необходимые для применения изделия по назначению, или допол(
нительные, специально организованные для целей диагностиро(
вания;
– устройство сопряжения — устройство, предназначенное для
соединения и разъединения изделия, и средства технического ди(
агностирования.

1.8.2. Показатели контролепригодности
К показателям контролепригодности относятся:
1. Средняя оперативная трудоемкость данного вида диагностиро%
вания — средняя суммарная оперативная трудоемкость операций,
необходимых для определения технического состояния изделия при
данном виде диагностирования:
N

Sd = ∑ Sd ,
j =1

j

где N — число операций данного вида диагностирования, необходимых для
определения технического состояния изделия;
Sd — оперативная трудоемкость j(й операции диагностирования, чел.(ч:
j

Sd = S o + Sb ,
j

где S
o
Sb

j

j

— средняя трудоемкость j(й операции диагностирования, чел.(ч;
j

— средняя вспомогательная трудоемкость j(й операции диагностиро(
j

вания, чел.(ч:

S b = S y + St ,
j

где S
y

j

j

— средняя трудоемкость установки и снятия измерительных преобра(
j

зователей и других устройств, необходимых для выполнения j(й операции ди(
агностирования, чел.(ч;
St

— средняя трудоемкость работ на изделии для обеспечения доступа к
j

контрольным точкам и приведения изделия в исходное состояние после диаг(
ностирования.

2. Коэффициент безразборного диагностирования — отношение
числа контролируемых параметров изделия данного вида диагнос(
72

тирования, для измерения которых не требуются демонтажно(мон(
тажные работы, к общему числу контролируемых параметров изде(
лия данного вида диагностирования:
K bd =

Nk
Nn

,

где Nk — число контролируемых параметров изделия данного вида диагнос(
тирования, для измерения которых не требуются демонтажно(монтажные ра(
боты;
Nn — общее число контролируемых параметров данного вида диагности(
рования.

1.9. Принципы построения алгоритмов
поиска неисправностей
Одной из основных и сложных задач диагностики является зада(
ча составления алгоритма поиска неисправности. Различные алго(
ритмы поиска могут быть оценены значением некоторого критерия
эффективности: средние затраты на поиск отказа, среднее время
поиска отказа и т.д. Для выбора наиболее эффективного алгоритма
решается задача оптимизации — нахождение алгоритма, критерий
оценки которого имеет минимальное (максимальное) или близкое
к нему значение. Для решения задачи оптимизации предложен
ряд методов, применение которых обусловлено характером ис(
ходной информации и сложностью объекта. В учебном пособии
рассматривается только два метода построения алгоритма диа(
гностирования: метод ветвей и границ и инженерно(логический
метод. В п. 1.6.2 рассмотрены методы выбора диагностических па(
раметров и алгоритмы диагностирования по информационным
показателям и параметрам надежности работы.

1.9.1. Метод ветвей и границ
Метод представляет собой рациональную структуру поиска в
множестве допустимых решений наилучшего решения по заданно(
му критерию. Множество состояний последовательно разделяется
на все меньшие подмножества. Для каждого подмножества в про(
цессе разделения определяется нижняя граница минимизируемой
функции.
73

Уменьшение вариантов перебора достигается за счет исключе(
ния из дальнейшего рассмотрения подмножеств, для которых ниж(
няя граница минимизируемой функции превышает ее наименьшее
значение. Процесс разделения продолжается до тех пор, пока не
будет найдено допустимое решение, для которого нижняя граница
минимизируемой функции не превосходит наименьшего значения
нижней границы для любого из подмножеств.
Состояние системы задается таблицей состояний (например,
табл. 1.12)
Таблица 1.12
Таблица состояний системы

Примечание: Si — состояния системы; πj — элементарная проверка; 0 —
наличие неисправности; 1 — отсутствие неисправности.

Выбор первой проверки осуществляется следующим образом.
Каждая из проверок πj разделяет все множество состояний системы
Si на два подмножества S (0) и S (1) (замена индекса i на индекс j
j
j
обозначает отношение множества состояний системы примени(
тельно к проверке πj), которые соответствуют наличию и отсутствию
неисправности. Обозначим стоимость каждой проверки как cj.
Так как дальнейшая последовательность проверок для подмножеств
и S (1) неопределенна, то заменим их стоимости нижними гра(
S (0)
j
j

) и c (S (1) ) . Нижняя граница средней стоимос(
ницами cmin (S (0)
j
min j
ти алгоритма диагностирования, который начинается с проверки πj,
n

cmin (π j , S ) = c j ∑ pi + cmin (S (0)
) + cmin (S (1)
),
j
j
i =1

74

(1.13)

где n — количество состояний системы;
pi — вероятности состояний системы.

После расчета нижней границы стоимости всех πj проверок, вы(
бирается та, которая имеет наименьшую нижнюю границу.
На втором шаге рассчитываются нижние границы всех целесо(
образных пар проверок. Целесообразность проведения очередной
проверки определяется наличием в множестве состояний 0 и 1.
Если в множестве состояний имеются только 0 или 1, то проведе(
ние такой проверки не позволяет установить вид состояния систе(
мы. Обозначим через πjk проверку на втором шаге для подмноже(
ства S (00)
и S (01)
, а через πjm — проверку для подмножества S (10) и
j
j
j

S (11)
. Индексы 00, 01, 10 и 11 обозначают разделение подмножеств
j
состояний по первой и второй проверкам. Так индекс 01 обознача(
ет подмножество состояний с наличием неисправностей по первой
проверке и отсутствием неисправностей по второй проверке. Ниж(
няя граница для подмножеств S (0) и S (1)
j
j
n −1

cmin (π jk , Si(0) ) = c jk ∑ pi + cmin (S (00)
) + cmin (S (01)
);
j
j
i =1

n −1

cmin (π jm , Si(1) ) = c jm ∑ pi + cmin (S (10)
) + cmin (S (11)
).
j
j
i =1

Средняя стоимость алгоритма технического диагностирования
n

cmin (π j , π jk , π jm , Si(0) ) = c j ∑ pi + cmin (π jk , S (0)
) + cmin (π jm , S (1)
).
j
j
i =1

При построении алгоритма технического диагностирования дей(
ствует правило: значение средней стоимости нижней границы на
последующих шагах всегда не меньше средней стоимости нижней
границы на предыдущих шагах cmin (π j , π jk , π jm ) ≥ cmin (π j ) . Анало(
гично строится нижняя граница на третьем, четвертом и последую(
щих шагах. Алгоритм строится до тех пор, пока в S не будут выде(
лены все подмножества, содержащие не более двух состояний, и
75

не найдена оптимальная последовательность проверок. Рассмотрим
пример построения алгоритма диагностирования методом ветвей и
границ.
Пример. Пусть состояние системы задано таблицей состояний (см. табл. 1.12).
Вероятности состояний Si принимают значения: p1 = 0,11; p2 = 0,21; p3 = 0,10;
p4 = 0,16; p5 = 0,11; p6 = 0,16; p7 = 0,15; Стоимости проверок j условно при
мем: c1 = 2,30; c2 = 3,10; c3 = 2,75; c4 = 3,35; c5 = 4,10; c6 = 1,98.
На первом шаге необходимо определить нижнюю границу алгоритма диаг
ностирования, начинающегося с проверки j. Каждая проверка j разбивает
множество S на два непустых подмножества S (0) и S (1) . Для вычисления ниж
i
i
ней границы алгоритма диагностирования необходимо выполнить следующие
операции (на примере S (0) ):
i
– построить упорядоченный по возрастанию набор вероятностей состоя
ний, которые входят в S (0) ;
i
– найти вероятность p, равную сумме двух наименьших вероятностей по
строенного набора (бинарную вероятность);
– построить новый упорядоченный набор вероятностей, заменив первые
две наименьшие вероятности значением p;
– повторять предыдущие действия до тех пор, пока не будет образован на
бор, содержащий одно значение вероятности;
– построить в порядке возрастания набор, состоящий из рассчитанных на
каждом шаге p.
Значение нижней границы для подмножеств S (0) и S (1) при условии, что
i
i
алгоритм начинается с проверки 1, в рассматриваемом примере определяет
ся следующим образом. Проверка 1 разделяет множество S на два подмноже









ства S (0)  S , S и S (1)  S ,S ,S ,S ,S . Из вероятностей, которые соответ
1
1 4
1
2 3 5 6 7
(0)
(1)
и S , формируем упорядоченные по возрастанию наборы: 0,11;
ствуют S
i
i
0,16 и 0,10; 0,11; 0,15; 0,16; 0,21. Применяя правила построения бинарного
набора, находим, что его составляющие: p  0,11  0,16  0,27 (для S (0) ) и
1
i

p1  0,10  0,11  0,21 (для Si(1) ). Новый набор вероятностей для Si(1) : 0,15; 0,16;
0,21; 0,21. Бинарная вероятность этого набора p  0,15  0,16  0,31 . Следую
2
щий набор вероятностей: 0,21; 0,21; 0,31. Бинарная вероятность этого набора
p  0,21  0,21  0,42 . Следующий набор вероятностей: 0,31; 0,42. Бинарная
3

вероятность этого набора p  0,31  0,42  0,73 . Согласно выражению (1.13)
4

cmin (1, S )  c1  c1  0,27  c1(0,21  0,31  0,42  0,73)  6,762.

76

Подобным образом выполняются расчеты для остальных проверок. В ре(
зультате расчета получим cmin = (π2, S) = 8,649; cmin = (π3, S) = 7,810; cmin =
= (π4, S) = 9,346; cmin = (π5, S) = 11,439; cmin = (π6, S) = 6,554. Получаем, что
алгоритм диагностирования, начинающийся с проверки π6, имеет наимень(
шую нижнюю границу. На втором шаге алгоритма необходимо вычислить
нижние границы для всех возможных пар проверок, начинающихся с π6: π6,
π1; π6, π2; π6, π3; π6, π4; π6, π5. Состояние системы на втором шаге задается
табл. 1.13.
Таблица 1.13
Таблица состояний системы на втором шаге диагностирования

Анализ таблицы состояний позволяет сделать вывод, что при получении
значения проверки на первом шаге π6 = 0 однозначно определяется состояние
системы № 6. Поэтому имеет смысл проведения диагностических операций
при π6 = 1. В рассматриваемом случае необходимо перебрать все возможные
варианты проверок. Опуская промежуточные расчеты, приведем результаты:
cmin = (π6, π1, S) = 13,339; cmin = (π6, π2, S) = 13,219; cmin = (π6, π3, S) = 12,466;
cmin = (π6, π4, S) = 13,756; cmin = (π6, π5, S) = 15,574; По результатам расчетов
устанавливаем, что алгоритм диагностирования, начинающийся с проверок π6,
π3, имеет минимальную нижнюю границу. Далее алгоритм диагностирования
строится подобным образом. На рис. 1.14 показано дерево решений для рас(
сматриваемой системы. При построении дерева решений вершины необходи(
мо располагать слева направо в порядке убывания нижней границы стоимос(
ти. Каждый ряд вершин соответствует своему шагу.

1.9.2. Инженерно*логические алгоритмы поиска
В инженерно(логическом анализе объекта построение алгорит(
ма поиска неисправностей основывается на учете его структуры,
количества требующихся проверок и их трудоемкости. В соответ(
ствии с требуемой глубиной поиска неисправности объект расчле(
няется на элементы и представляется логическим деревом. Логи(
ческие деревья имеют три разновидности [14], предусматривающие:
– последовательное выполнение всех возможных проверок;
77

Рис. 1.14. Дерево решений

– разбивку каждой проверкой множества состояний на два под(
множества, равных или отличающихся на единицу по числу элемен(
тов;
– различные комбинации первых двух принципов построения.
Логические деревья отличаются средней трудоемкостью после(
довательности поиска
Tср

1
=
n

n kj

∑ ∑ tkj ,
j =1 k =1

и средней длиной ветви
kср =

1
n

n

∑ kj,
j =1

где kj — число проверок, начиная с первой проверки;
tk — трудоемкость испытания;
n — число элементов.

78

У деревьев, имеющих последовательные и параллельные провер(
ки, их количество рассчитывается по формулам:
n

 n −1
 + 2(n − 1);
 2 

=
∑ k (пс)
j
j =1

n

n −1

j =1

i =1

= ∑ log 2i + 2(n − 1).
∑ k (пр)
j

Для комбинированных логических деревьев количество прове(
рок находится меду значениями, получаемыми для первой и второй
групп:
n

∑

j =1

k (пр)
j

n

<∑

j =1

k (кб)
j

n

< ∑ k (пс)
.
j
j =1

Рациональный выбор проверок позволяет построить логическое
дерево, имеющее минимально возможное значение
(ср)
kmin
=

n

1
∑ k 
.
j
n  j =1 

min

1.10. Ошибки и достоверность диагностирования
Действительное техническое состояние как локомотива в целом,
так и его узлов может не совпадать с результатами диагностирова(
ния. Такое несовпадение обусловлено рядом причин, с которыми
приходится сталкиваться при проведении диагностических опера(
ций. Результаты диагностирования зависят от состава средств диа(
гностирования, их структуры, контролепригодности объекта диа(
гностирования, совокупности диагностических параметров, их до(
пустимых значений, точности измерения параметров, организации
работы, внешних условий (вибрация, температура, влажность, маг(
нитные поля и пр.). При диагностировании локомотива бортовы(
ми средствами достоверность диагностирования выше, так как ин(
формация снимается в реальных условиях работы объекта, где учи(
тываются все существующие факторы, но не всегда можно добить(
ся полного охвата объекта диагностированием.
79

При диагностировании локомотива стационарными устройства(
ми не всегда можно получить высокую достоверность, но полнота
охвата диагностированием локомотива выше. В общем случае в
процессе диагностирования образуются ошибки, связанные как с
полнотой охвата, так и с достоверностью диагностирования.
Если диагностируемый объект характеризуется параметром I(t),
то этот параметр следует рассматривать как случайную величину с
плотностью распределения f(I). Работоспособным считается объект
при условии Iн < I < Iв, где Iн – Iв — область допусков. Объект мо(
жет находиться в двух состояниях: C (1) — работоспособном и C (0)—
неработоспособном.
Априорная вероятность пребывания объекта в рабочем состоя(
нии
Р (С (1) ) =

Iв

∫

f (I )dI .

Iн

Вероятность того, что объект находится в нерабочем состоянии,
Р (С

(0)

)=

Iн

∫

−∞

+∞

f (I )dI +

∫

f (I )dI .

Iв

В момент проведения диагностических операций на результат
измерения оказывают влияние множество посторонних факторов
и случайных помех. В итоге получаем величину I′(t) = I(t) + ∆Iп(t),
отличающуюся от истинного значения I(t) на составляющую по(
мех ∆Iп(t). Заменяем область допустимых значений I′н < I < I′в.
Эта замена приводит к появлению ошибочных решений: часть
работоспособных объектов бракуется при допустимых значениях,
а часть неработоспособных принимается в качестве работоспособ(
ных и допускается к функциональному использованию.
В результате проведенных диагностических операций могут
быть выдвинуты следующие гипотезы технического состояния
объекта (рис. 1.15):
Н11 — гипотеза — истинное и измеренное значения параметра
находятся в пределах допуска Iн < I < Iв, I′н < I < I′в:
Н10 — гипотеза — истинное значение параметра в пределах до(
пуска Iн < I < Iв, а измеренное значение вне допуска I′н > I′(t) или
I′(t) > I′в;
80

Рис. 1.15. Схема определения состояния объекта с учетом ошибок

Н01 — гипотеза — истинное значение параметров вне допусков
I′н > I(t) или I(t) > Iв а измеренное значение — в пределах допусков
I′н < I′(t) < I′в;
Н00 — гипотеза — истинное и измеренное значение параметра
вне пределов допуска.
Гипотезы Н11 и Н00 являются правильными решениями, а Н10 и
Н01 — ошибочными. Правильные решения используются для кри(
терия достоверности, а ошибочные как мера недостоверности:
D = P (H11 ) + P (H 00 ) = 1 − P (H 01 ) − P (H10 ).

Степень доверия к полученным результатам «объект работоспо(
собен»
Dр =

P (H11 )
P (H11 ) + P (H 01 )

,

а к результатам «объект неработоспособен»
Dн =

P (H 00 )
P (H 00 ) + P (H10 )

.

81

Ошибки определения параметра в процессе контроля при гипо(
тезе Н10 называется ошибками 1(го рода и обозначаются символом α
и при гипотезе Н01 — ошибками 2(го рода и обозначаются β. Ошиб(
ки 1(го и 2(го рода могут возникать не только при измерениях, но и
при недостаточной полноте контроля, ошибках в задании области
допустимых значений и др.
Достоверность диагностирования (контроля) — численная вели(
чина, характеризующая степень соответствия результатов диагнос(
тирования действительному состоянию объекта.
Существуют два вида достоверности: методическая Dм и инстру(
ментальная Dи, составляющие общую достоверность D = Dм Dи.
Инструментальная достоверность Dи определяется выбором
средств диагностирования, их надежностью, элементной базой, по(
мехозащищенностью и другими свойствами:
n

Dи = 1 − ∏ (1 − di ),
i =1

где di — вероятность верного заключения по i(му показателю.

Методическая достоверность определяется совокупностью диаг(
ностических параметров, полнотой диагностирования, методикой
контроля и принятыми критериями оценки технического состоя(
ния. Методическая достоверность зависит от достоверности алго(
ритма и достоверности метода:

Dм = DA DM .
Достоверность алгоритма DA представляет собой вероятность
того, что установленная для диагностирования совокупность опе(
раций позволит установить действительное состояние объекта [14]:
m

n

i =1

i =1

DA = ∑ si ki / ∑ si ki ,
где s = ∂lna ∂lnb — относительная чувствительность показателя ai к измене(
i
i
i
нию величины bi, характеризующей состояние объекта;
ki = 1/pi — величина, учитывающая надежность части объекта, формирую(
щей показатель ai;

82

pi — вероятность безотказного действия части объекта, формирующей по(
казатель ai.

Достоверность метода Dм может быть рассчитана с использова(
нием методик теории измерений, используемых для определения
погрешностей, вносимых методом.

1.11. Прогнозирование изменения состояния объекта
Одной из основных задач диагностики является определение
технического состояния объекта в будущем. В моменты диагнос(
тирования фиксируется и со временем накапливается информа(
ция о динамике изменения контролируемых параметров в процессе
эксплуатации. Эта информация дает представление о текущем тех(
ническом состоянии объекта и функционировании объекта в про(
шлом. Эффективность диагностирования в значительной степени
возрастает, если на момент текущего диагностирования решается
задача прогнозирования значений контролируемых параметров на
предстоящий период эксплуатации. Решение этой задачи позво(
ляет оценить остаточный ресурс детали, запланировать вид ремон(
та, периодичность диагностирования, количество запасных час(
тей и т.п.
Большое разнообразие конструкций, назначений техничес(
ких объектов (систем, узлов, деталей) предполагает большое раз(
нообразие физических принципов их работы. Прогнозирование
изменения параметров работы таких систем может основываться
на различных принципах и осуществляться различными методами
с использованием того или иного математического аппарата. Од(
нако при всем разнообразии подходов и методов осуществления
прогнозирования можно указать основные принципы получения
результата прогноза, которые будут объединять целые группы воз(
можных методов прогнозирования диагностируемых процессов
[14]:
– результат прогноза получают в той же размерности, что и кон(
тролируемые параметры, т.е. прогнозирование изменения процесса
имеет своей целью получение величины контролируемого парамет(
ра, характеризующего протекание процесса во времени;
– на основе результата прогноза определяется вероятность вы(
хода характеристик контролируемого процесса за определенные
пределы;
83

– в результате прогноза контролируемый процесс может быть
отнесен к тому или иному классу заранее охарактеризованных про(
цессов по критерию работоспособности или долговечности.
Решение задачи прогнозирования предполагает использова(
ние сложного математического аппарата. В учебном пособии не
ставится задача подробного изложения теории прогнозирования,
а приводится описание основных методов и принципов решения
этой задачи.

1.11.1. Аналитический метод прогнозирования
Для аналитического метода прогнозирования постановка задачи
в общем виде может быть сформулирована следующим образом.
Техническое состояние объекта характеризуется многомерным век(


тором параметров ψ(t ) = ψ1(t ), ..., ψ n (t ) . Наблюдение за параметра(
ми состояния ведется на интервале t0 – tk (область контроля Ткон).






В этой области известны значения вектора ψ(t ): (ψ(t 0 ), ψ(t1 ),...,




ψ(tk )) . Задача — по известным значениям ψ(ti ) в моменты вре(






мени t0,…,tk ∈ Tкон определить ψ(tk +1 ), ψ(tk + 2 ), ..., ψ(tk +m ) в момен(
ты времени tk+1, …, tk+m ∈ Tпрог, где Тпрог — область прогнозирова(
ния. Решение задачи имеет смысл при условии, что параметры








(ψ(t 0 ), ψ(t1 ), ..., ψ(t k )) определяют значения параметров ψ(tk +1 ),




ψ(tk + 2 ),..., ψ(t k +m ), т.е. процесс инерционен во времени и развива(
ется по тем же закономерностям. На рис. 1.16 показан пример разви(
тия деградации параметра во времени.
Наиболее простым случаем решения задачи прогнозирования
аналитическим методом является случай, когда характер изменения
функции во времени в области Tкон удается адекватно описать ана(
литическим уравнением, например, ψ(t) = a/t + b. Для получения
аналитического уравнения применяются методы, используемые в
теории интерполяции. Задача интерполирования заключается в


нахождении значений функции ψ(t 0 ) для промежуточных значений
аргумента ti < t < ti+1, i = 0, 1, …, k, где ti — дискретные значения


аргумента, при которых функция ψ(t 0 ) известна. В результате ин(
терполирования получаем функцию F(t), которая в точках t0, t1, …, tk
84

Рис. 1.16. Прогнозирование величины контролируемого параметра

принимает значения (t0), (t1), …, (tk). Функцию F(t) называ
ют интерполирующей. Задача экстраполирования заключается в
определении значений функции t) в области неизвестных зна
чений Т прог . Функция F(t) должна удовлетворять условию
(tk  j )  F (tk  j )   j , j  1,2, ..., m где (tk+j) — неизвестные значе

ния функции (t) в области Тпрог. Многочлен F(t) называют экст
раполяционным выражением. В качестве экстраполяционных вы
ражений могут быть использованы:
– полином Лагранжа


F (t )  ∑ Li (ti ),
i 1

j 



где Li 

j 0
j i
j 

(m  j )

— коэффициенты Лагранжа;

 (i  j )

i 0
i j

85

– формула Ньютона
F (t )  (tn )   n 1N 1   2  n 2 N 2  3  n 3N 3  ...,
k 

1
где N k 
 (m  1  k ) — коэффициенты Ньютона;
k ! k 1
kn–k — конечные разности kго порядка;

– ряд Тейлора
F (t )  (tn )   (tn )1   (tn )2  ...   k (t n )k ,
где k(tn) — kя производная в точке tn;
k = mk/k! — коэффициенты Тейлора.

Для реализации аналитического метода прогнозирования могут
быть использованы такие его разновидности, как градиентный, Бок
са—Вильсона, обобщенного параметра, прогнозирования с адапта
цией [14].

1.11.2. Вероятностное прогнозирование
В некоторых случаях при решении задачи прогнозирования це
лесообразно сначала определить вероятность выхода (невыхода) па
раметра за пределы допуска. Задача прогнозирования при этом
формулируется следующим образом. В моменты времени ti изве
стны значения параметра s(ti), где s — количество реализаций па
раметра. В каждом временном сечении состояние объекта харак
теризуется функцией распределения Fi(). Обозначим через доп
предельнодопустимое значение параметра. Необходимо по изве
стным значениям s(ti), Fi(s) на интервале t0 – tk определить веро
ятность выхода параметра за допустимое значение в момент време
ни tk+m (рис. 1.17), т.е.
Ft
где ft

k m

k m





()  P (tk m )   доп 



∫

 доп

ft

k m

()d ,

(1.14)

() — плотность распределения значений параметра  во временном

сечении tk+m.

Для решения задачи прогнозирования вероятностными мето
дами применим математический аппарат теории вероятностей и
86

Рис. 1.17. Прогнозирование вероятности выхода параметра за допустимое
значение

математической статистики. В процессе эксплуатации технической
системы параметры, характеризующие ее состояние, подвержены
влиянию множества случайных факторов. Поэтому значения пара(
метров меняются случайным образом, т.е. в каждом временном
сечении будет наблюдаться разброс значений параметров. Наибо(
лее полной характеристикой такого разброса является закон рас(
пределения. Закон распределения устанавливает связь между воз(
можными значениями случайной функции и соответствующими
им вероятностями:
P ψ(t ) = ψ(ti ) = pi .

Закон распределения полностью описывается функциями F(ψ)
и f(ψ). Функция F(ψ) = P[ψ(t) < ψ] называется интегральной функ(
цией распределения, а f(ψ) = F′(ψ) — дифференциальной функци(
ей распределения. Более подробно математический аппарат теории
87

вероятностей изложен в [40]. Каждый вид закона распределения слу
чайной величины имеет параметры. Так, например, дифференци
альная функция нормального закона распределения имеет вид
1
f ( ) 
e
 2

( )2
2 2

,

параметрами этого закона распределения являются  — математи
ческое ожидание и  — среднее квадратическое отклонение случай
ной величины.
Прогнозирование вероятностными методами в основном сво
дится к прогнозированию параметров закона распределения слу
чайной величины и расчету вероятности выхода (невыхода) прогно
зируемого параметра за пределы допуска по формуле (1.14).

1.11.3. Статистическая классификация
Статистическая классификация или распознавание образов
предполагает отнесение объекта к одному из классов состояний, ко
торые заранее устанавливаются. Задачу можно сформулировать сле
дующим образом. Пусть в начальный момент времени состояние
объекта характеризуется совокупностью параметров s, определя

ющей координаты вектора состояния  0 . При решении задачи
прогнозирования необходимо определить принадлежность объек
та к одному из классов состояний R() (рис. 1.18).
Классы состояний могут быть параметрическими R(1)  (0)  (1),

R(2)  (1)  (2) , … или временными RT(1)  T0  T1, RT(2)  T1  T2 , …,
где [(0) – (1)], [(0) – (1)]… — интервалы в поле допуска и [Т0 –
– Т1], [Т1 – Т2] … — на временной оси. Формирование классов со
стояний осуществляется с учетом особенностей объектов и осно
вывается на предположении, что объекты, имеющие совокупность
идентичных параметров, имеют одинаковые качества (долговечность,
работоспособность и др.).
Основными этапами решения задачи прогнозирования метода
ми статистической классификации (распознавания образов) явля
ются следующие [14]:
– выбор модели прогнозирования (распознавания), которая может
быть детерминированной, вероятностной и индетерминированной;
88

Рис. 1.18. Статистическая классификация объектов

– описание эталонов класса Rλ на основании априорной инфор(
мации и обучение (самообучение) модели прогнозирования (обна(
ружение экстраполяционных связей);
– сопоставление текущей информации о диагностируемом объек(
те с априорно сформированными эталонами классов Rλ;
– принятие решения о качестве или степени работоспособности
объекта по данным контроля;
– оценка надежности прогнозирования путем экзаменовки выб(
ранной модели прогнозирования.

1.12. Стратегия применения диагностических средств
1.12.1. Расчет периодичности диагностирования
Расчет рациональной периодичности диагностирования зависит
от видов технического обслуживания и ремонта локомотивов, про(
89

бега между ними, а также времени простоя, затраченного на прове
дение обслуживания.
Чтобы иметь полную и достоверную информацию о техничес
ком состоянии локомотива, необходимо как можно чаще проводить
его контроль, учитывая при этом, что режимы диагностирования
требуют значительных затрат времени, средств и определенной ква
лификации обслуживающего персонала. С другой стороны, чем
меньше проверок, тем меньше затрат. Но уменьшение затрат может
привести к неплановым ремонтам, а в худшем случае — к аварий
ным ситуациям. Поэтому время между операциями диагностирова
ния должно быть величиной оптимальной.
Рассмотрим упрощенную методику расчета затрат на диагности
рование при изменении периодичности диагностирования, т.е. ко
личества диагностирований. В качестве объекта исследований при
мем локомотив, состоящий из n узлов. Для каждого узла известны
параметры закона распределения наработки до отказа. На рис. 1.19
условно показаны функции плотности вероятности нормального
закона распределения наработки до отказа узлов. Оценим измене
ние затрат на поддержание заданного уровня надежности тепло
воза при варьировании количества диагностирований. Принима
ем, что отказ любого узла приводит к отказу тепловоза и проведе
нию непланового ремонта. Зная параметры законов распределения,
можно определить вероятность отказа iго узла на интервале экс
плуатации [0 – t]:

Po  t  
i

t

∫ fi t  dt .



Вероятность безотказной
работы iго узла

Pp  t   1 
i

t

∫ fi t  dt .



Вероятность работоспо
собного состояния тепловоза
Рис. 1.19. Функции плотности вероятно
сти распределения наработки до отказа
узлов

90

n

Pp t    Pp  t ,
i 1

i

а вероятность отказа
n

Po (t ) = 1 − ∏ Pp( ) (t ).
i

i =1

Если парк тепловозов состоит из N единиц, то количество пла(
новых и неплановых ремонтов можно определить по следующим
формулам:
плановых ремонтов
п
K ( ) = NPp (t ) ,

неплановых ремонтов
н
K ( ) = NPо (t ) .

Суммарные затраты на плановые ремонты
п
п
п
Z ( ) = K ( )C ( ) ,

где C (п) — средняя стоимость планового ремонта.

Суммарные затраты на неплановые ремонты
н
н
н
Z ( ) = K ( )C ( ) ,

где C (н) — средняя стоимость непланового ремонта.

Суммарные затраты на диагностирование
n

д
Z д = K д ∑Ci( ) ,
i =1

где Кд — количество диагностирований;
д
Сi( ) — средняя стоимость диагностирования i(го узла.

Количество диагностирований зависит от количества эксплуа(
тируемых тепловозов и периодичности проведения диагностичес(
ких операций
t
K д = Nn,
τ
где τ — интервал диагностирования.

91

При проведении диагностирования надежность работы узлов и
тепловоза в целом повышается. Своевременное обслуживание и за(
мена узлов, оказавшихся в предотказном состоянии, перераспреде(
ляет соотношение плановых и неплановых ремонтов.
Вероятность отказа i(го узла при диагностировании с периодич(
ностью τ

(i ) t =
Poд
()

τ

∫ fi (t ) dt .

−∞

Вероятность безотказной работы i(го узла при диагностировании

( ) t =1−
Ppд
()

τ

∫ fi (t ) dt .

i

−∞

Вероятность работоспособного состояния тепловоза при диагно(
стировании
n

() t ,
Ppд (t ) = ∏ Ppд
()
i

i =1

а вероятность отказа
n

() t .
Poд (t ) = 1 − ∏ Ppд
()
i

i =1

Количество плановых ремонтов при диагностировании
п
K д( ) = NPpд (t ) ,

неплановых ремонтов
н
K д( ) = NPод (t ) .

Суммарные затраты на плановые ремонты при диагностирова(
нии
п
п
п
Z д( ) = K д( )C ( ) .

92

Рис. 1.20. Оптимизация затрат в зависимости от количества диагностирова(
ний

Суммарные затраты на неплановые ремонты при диагностиро(
вании
н
н
н
Z д( ) = K д( )C ( ) .

Суммарные затраты на поддержание требуемого уровня надеж(
ности работы тепловозного парка (рис. 1.20)
пр
нр
Z ∑ = Z д + Z д( ) + Z д( ) → min.

1.12.2. Модель экранов
В работах [2, 41] в качестве модели оптимизации проведения
диагностических операций рассматривается модель экранов. Для
реализации этой модели необходимо знать или иметь возможность
получить законы распределения наработки до достижения контро(
лируемым параметром определенного значения (распределение в
горизонтальном сечении) случайного процесса f(ψ, t) и закон рас(
пределения параметра на фиксированную наработку (закон распре(
деления в вертикальном сечении) (рис. 1.21).
Решение задачи заключается в определении момента наработки
tд, когда необходимо проведение диагностической операции. Со(
93

Рис. 1.21. Определение момента диагностирования с использованием модели
экранов

гласно теореме для модели экранов [41] момент диагностирования
tд может быть определен решением уравнения
tp

∫σ

tд

1

(t −t )
−

1
2π

e

ср
2σ12

(ψ−ψ )
−

2

ψ пр

dt =

∫

ψ кр

1
σ2 2π

e

ср
2σ22

2

d ψ,

где ψкр — упреждающее значение контролируемого параметра;
ψпр — предельное значение контролируемого параметра;
tр — межремонтная наработка узла.

Применение модели экранов позволяет установить срок прове(
дения диагностирования, исходя из условия, что если контролиру(
емый параметр в момент диагностирования не достигнет упрежда(
ющего значения ψкр, то за период tр – tд его значение не превысит
ψпр. Применение такого подхода позволяет более гибко формиро(
вать сроки проведения плановых ремонтов.
Для реализации модели должны быть известны надежностные
характеристики тепловоза по всем параметрам. Характеристики
94

надежности каждого контролируемого параметра реализуются для
заданного интервала эксплуатации t. Вероятность исправного со(
стояния тепловоза на этом интервале по всем параметрам
n

P (t ) = ∏ Pk / k −1(t ),
k =1

где Pk/k–1 — вероятность исправного состояния тепловоза по параметру k при
условии, что тепловоз исправен по всем k –1 параметрам.

Повышение надежности работы тепловоза достигается за счет
проведения диагностических и контрольных операций по ряду па(
раметров [2]. Причем уровень надежности зависит и от периодич(
ности проведения диагностических операций, т.е. от межконтроль(
ного интервала τ. С учетом этого безотказность тепловоза изменя(
ется до значения
m

P (t ) = ∏ Pпi /i −1(τ)
i =1

n

∏

j =m +1

Pкj / j −1(t ),

где Pп(τ) — условные вероятности работоспособного состояния системы по
контролируемым параметрам за наработку τ;
Pк(t) — условные вероятности работоспособного состояния системы по не(
контролируемым параметрам за наработку t.

Задачу можно оптимизировать по критерию достижения требуе(
мого уровня надежности при минимальных затратах на диагности(
ческие операции.

1.13. Оценка эффективности технического
диагностирования
Проблема повышения эффективности использования теплово(
зов может быть успешно решена при рассмотрении комплекса част(
ных задач. Одной из важнейших является организация эффектив(
ного диагностического процесса эксплуатируемых тепловозов. При
решении задачи диагностирования узлов тепловозов, связанных с
безопасностью движения, в качестве основного критерия вполне
может быть принята достоверность диагностирования. Для этих уз(
лов совокупные последствия отказа, представленные в денежном
выражении, могут исчисляться десятками, а иногда и сотнями мил(
95

лионов рублей. А последствия с человеческими жертвами вообще
не поддаются денежному выражению, и любые затраты можно счи(
тать оправданными. Тем не менее большинство узлов тепловоза не
связаны с безопасностью движения, и для оценки их диагностичес(
кого обеспечения наиболее приемлем экономический критерий эф(
фективности. Основная задача при организации системы диагно(
стирования заключается в оптимизации ее параметров. Различие в
конструкции узлов и систем тепловозов, особенности эксплуатации,
различный уровень подготовленности ремонтного персонала, тех(
ническая оснащенность и уровень технологии ремонта оказывают
существенное влияние на формирование параметров надежности
работы систем и узлов. Оснащение локомотивных депо и внедре(
ние в процесс ремонта диагностического оборудования сопровож(
дается решением ряда задач, связанных как с выбором из широкого
спектра предлагаемых диагностических систем наиболее подходя(
щих, так и с задачей организации максимальной эффективности их
использования.
В ГОСТ 26656(85 и ГОСТ 20911(89 [10, 11] определены термины
и показатели, характеризующие отдельные технико(экономичес(
кие показатели диагностических средств и систем. В качестве таких
показателей используются: средняя оперативная трудоемкость дан(
ного вида диагностирования; коэффициент безразборного диагно(
стирования; средняя оперативная трудоемкость диагностирования,
вероятность ложного отказа (в последующих группах условная); ве(
роятность ложного отказа в данном элементе, вероятность ложного
отказа при диагностировании; вероятность ложного отказа при кон(
троле, вероятность ложной неисправности в данной группе; веро(
ятность ложной неисправности в данном элементе; вероятность
ложной неисправности при диагностировании; вероятность необ(
наруженного отказа в данной группе; вероятность необнаруженного
отказа в данном элементе; вероятность необнаруженного отказа при
диагностировании; вероятность необнаруженного отказа при конт(
роле; вероятность необнаруженной неисправности в данной груп(
пе; вероятность необнаруженной неисправности в данном элементе;
вероятность необнаруженной неисправности при диагностировании;
вероятность необнаруженной неисправности при контроле; глуби(
на поиска места неисправности; глубина поиска места отказа, пол(
нота диагностирования, полнота контроля; полнота контроля тех(
96

нического состояния; полнота технического диагностирования; про(
должительность диагностирования; продолжительность контроля;
продолжительность контроля технического состояния; продолжи(
тельность технического диагностирования.
В работах [14, 42] рассматривается обобщенный критерий эф(
фективности диагностики, учитывающий влияние всех составляю(
щих диагностического комплекса: оператора, объекта и техничес(
ких средств диагностирования. В качестве критерия принимается
вероятность выполнения объектом поставленных задач

E = Ppwo ,
где Рр — вероятность правильного определения состояния объекта;
wо — вероятность отсутствия неисправностей в неконтролируемой части
объекта диагностирования за время T.

Вероятность Рр зависит от вероятностей правильной оценки со(
стояния объекта техническими средствами (р1) и правильной дея(
тельности оператора (р2):

Pp = p1 p2 .
В свою очередь, вероятность правильной оценки состояния тех(
ническими средствами зависит от достоверности результата диаг(
ноза и вероятности правильного функционирования технических
средств.
Достоверность результата диагностирования определяется, как
было сказано ранее (п. 1.10), методической (Dм) и инструменталь(
ной достоверностями (Dи) диагностирования:

D = Dм Dи .
Рассмотрим схему взаимодействия системы диагностирования с
диагностируемой системой и системой технического обслуживания
и ремонта (рис. 1.22). Принимаем, что конечной целью примене(
ния системы технического диагностирования к конкретной тех(
нической системе (парк тепловозов) является организация ре(
монта по фактическому состоянию, т.е. применение системы ре(
монта и обслуживания, позволяющей эксплуатировать теплово(
зы с максимальной эффективностью (полной выработкой ресурса
до ремонта).
97

Рис. 1.22. Схема воздействия системы диагностирования на надежность и пара
метры системы ремонта тепловозов:
dmin — параметры диагностических средств, m — количество применяемых ди
агностических средств, n — число параметров, характеризующих диагностичес
кое средство; pk — параметры надежности работы тепловозного парка; Il — слу
чайные воздействия, приводящие к изменению параметров надежности работы
тепловозов; xg — параметры системы ремонта, устанавливаемые в зависимости
от параметров надежности работы локомотивов и зависящие от стратегии при
менения диагностических средств; Y — управляющее воздействие системы диа
гностирования на параметры надежности работы тепловозов; J — управляю
щее воздействие системы диагностирования на формирование параметров
системы технического обслуживания и ремонта тепловозов; Q — взаимное воз
действие параметров надежности парка тепловозов на параметры системы
ремонта и наоборот

В зависимости от комплекса параметров системы диагностиро
вания формируются управляющие воздействия Y и J. Задача фор
мирования параметров системы диагностирования заключается в
том, чтобы в результате ее функционирования воздействия Y и J
приводили к достижению оптимального сочетания уровня надеж
ности работы тепловозов и затрат на поддержание этого уровня на
дежности с учетом диагностирования.
Решение задачи оптимизации параметров системы диагности
рования может осуществляться при одном из двух вариантов: пер
вый вариант — система технического диагностирования (СТД) функ
ционирует в рамках плановопредупредительной системы ремон
та; второй вариант — в рамках системы ремонта локомотивов по
техническому состоянию. В первом случае параметры СТД долж
ны быть максимально адаптированы к параметрам системы тех
98

нического обслуживания и ремонта локомотивов. Периодичность
проведения диагностических операций привязывается к периодич(
ности проведения технических обслуживаний и ремонтов, тем са(
мым сокращается суммарное время простоя локомотива на техни(
ческом обслуживании или ремонте и диагностировании. Во втором
случае параметры СТД должны формировать параметры системы
технического обслуживания и ремонта. Периодичность диагнос(
тирования устанавливается для каждого диагностируемого узла
исходя из показателей надежности работы этого узла и целесооб(
разности проведения диагностических операций. По результатам
диагностирования и решения задачи прогнозирования остаточно(
го ресурса устанавливаются сроки очередного технического обслу(
живания или ремонта или формируется объем ремонта.
На рис. 1.23 в формализованном виде представлена модель про(
цесса поддержания требуемого уровня надежности работы тепло(

Рис. 1.23. Векторно(графическая модель оснащенности диагностического процесса

99

возного парка. Тепловоз представляется в виде ограниченного пе
речня узлов, подвергаемых в процессе эксплуатации техническому
обслуживанию, ремонту и диагностированию. В целом затраты, свя
занные с поддержанием необходимого уровня надежности работы
 

тепловозов, будут характеризоваться векторами k , k  и k  (i — диа
i i
i

гностируемый узел тепловоза). Примем, что вектор затрат k фор
i
мируется при условии, что узлы и системы тепловоза максимально
вырабатывают свой ресурс и, как следствие, затраты будут мини

мальными. Вектор k  характеризует затраты на поддержание тре
i
буемого уровня надежности работы локомотивов при существую
щей системе технического обслуживания и ремонта без примене
ния средств диагностирования. Затраты при таком подходе будут

значительно выше. Вектор k  характеризует снижение затрат при
i
применении сложившейся системы технического диагностирования.
Применение методов и средств диагностирования узлов и сис
тем тепловоза своей конечной целью имеет стремление снизить затра
ты. В условиях реального применения средств диагностирования
 
снижение затрат происходит до значения k   k  . Это уменьшение
i
i
затрат характеризует эффективность применения диагностических
средств. В действительности эта эффективность может быть нуле



вой k   k   k 
или отрицательной, приводящей к увеличе
i 5
i 5
i 5


нию затрат k  . Причем направление и значение вектора ki оп
i 4
ределяется параметрами применения и характеристиками исполь
зуемых диагностических средств. Конечной целью задачи поиска
наилучшего варианта оснащенности диагностического процесса
является выполнение условия достижения максимального значения
критерия оценки эффективности диагностического процесса. В ка
честве критерия, оценивающего целесообразность применения диа
гностических средств, для рассматриваемого локомотивного парка
может быть принят коэффициент К, который определяется по фор
муле



 



К

100

Zр
Z рд

,

где Zр и Zрд — удельные затраты на проведение технических обслуживаний и
ремонтов по всему локомотивному парку без применения диагностических
средств и с их применением, руб./ч.

Суммарные затраты на поддержание локомотивного парка в
исправном состоянии за счет проведения установленного перечня тех
нических обслуживаний и ремонтов без использования средств диа
гностирования складываются из следующих составляющих: Zп —
суммарная стоимость плановых ремонтов и технических обслужива
ний, включающая стоимость материалов, заработной платы рабочих
и отчислений всех уровней; Zн — суммарная стоимость неплано
вых ремонтов; Zпр — суммарные потери от простоя на плановых
ремонтах и технических обслуживаниях; Zнп — сопутствующие
потери от неплановых ремонтов.
Удельные затраты на плановые ремонты и технические обслужи
вания
Zр 

Z

∑п

Z

∑ пр

Z

∑н

Z

T

∑ нп

,

где Т — годовой бюджет времени работы локомотивного парка, ч:

T  (365  24  T∑ p )N э ,
где 365 — количество суток в году;
24 — количество часов в сутках;
Тр = 160 — среднее время простоя локомотива на ремонтах и техничес
ких обслуживаниях за год, ч;
Nэ — эксплуатируемый парк локомотивов;
Zп — суммарная стоимость плановых ремонтов без проведения диагности
ки, руб.,
N

Z ∑ п  ∑ S прi K прi ,
i 1

где Sпрi — стоимость проведения планового ремонта iго объема без примене
ния диагностических средств, руб.;
Kпрi — количество плановых ремонтов и технических обслуживаний iго
объема без применения диагностических средств за год;
N — количество видов ремонта.
Zпр — суммарные потери от простоя на ремонте без применения диагнос
тических средств, руб.:

101

N

Z ∑ пр  ∑ (S пTпрi K прi ),
i 1

где Sп — стоимость одного часа простоя локомотива, руб.;
Тпрi — время, затрачиваемое на проведение iго планового ремонта или тех
нического обслуживания без диагностирования, ч;
Zн — суммарная стоимость неплановых ремонтов без применения диагнос
тических средств, руб.,

Z ∑ н  SнK н ,
где Sн — средняя стоимость непланового ремонта без применения диагности
ческих средств, руб.;
Kн — количество неплановых ремонтов при реализации системы ремонта
без применения диагностических средств;
Zнп — сопутствующие потери от неплановых ремонтов, руб.,
k

k

j 1

j 1

Z ∑ нп  ∑ K нjTнS н  ∑ K нj Z зп ,
где Zзп — средние потери от задержки поездов на один неплановый ремонт,
руб.;
Kнj — количество неплановых ремонтов, вызываемых jм узлом;
Тн — среднее время простоя на неплановом ремонте, ч;
k — количество узлов тепловоза.

Для анализа оценки эффективности системы диагностирова
ния целесообразно учитывать только те технические обслужива
ния и ремонты, которые непосредственно связаны с проведением
диагностических операций и подвержены существенному влия
нию технологии диагностирования.
При расчетах учитываются техническое обслуживание объема
ТО3 и текущие ремонты объема ТР1, ТР2 и ТР3.
Количество технических обслуживаний объема ТО3
K ТО3  365

Nэ
Т ТР1

 12

Nэ
9

Количество ремонтов объема ТР1
K ТР1 

102

12N э
Т ТР1



Nэ
Т ТР2

;

.

количество ремонтов объема ТР2

⎡ Т
⎤
N э ⎢1  ТР2 ⎥
⎢⎣ Т ТР3 ⎥⎦
K ТР2 
,
Т ТР2
где ТТР1, ТТР2, ТТР3 — межремонтные наработки локомотива между ремонта
ми соответственно ТР1, ТР2, ТР3, сут.

Количество ремонтов объема ТР3

⎡ Т
⎤
N э ⎢1  ТР3 ⎥
⎢ Т ср ⎥
⎣
⎦,
K ТР3 
Т ТР3
где Тср — межремонтная наработка локомотива между средними ремонтами,
сут.

Затраты на проведение всех видов ремонта по всему локомотивно
му парку с применением диагностических средств, руб./ч,
Z рд



S

сд

Z

зд

Z

∑д

Z

∑ прд

Z

Т

∑ пд

Z

∑ нд

,

где Sсд — суммарная стоимость всех применяемых средств диагностирования,
отнесенная к одному году эксплуатации, руб.:
n mj

S сд 

∑ ∑ S дji
j 1 i 1

Tсл

,

где Sдji — стоимость iго диагностического средства, применяемого к jму узлу,
руб.;
Тсл = 10 — средний срок службы диагностических средств, лет;
Zзд — суммарные затраты на содержание всех применяемых диагностичес
ких средств, руб.:
n mj

Z зд  ∑ ∑ S сдji ,
j 1 i 1

103

где n — количество диагностируемых узлов;
mj — количество диагностических средств, применяемых для диагности(
рования j(го узла;
Sсдji — стоимость содержания i%го диагностического средства, применяе(
мого для диагностирования j(го узла локомотива, руб.;
Z∑д — суммарные затраты на диагностические операции, руб.:
n mj

Z ∑ д = ∑ ∑ S дjiTдji ,
j =1 i =1

где Sдji — стоимость одного часа диагностирования j(го узла i(м диагностичес(
ким средством, руб.;
Тдji — время диагностирования j(го узла i(м средством, ч;
Z ∑ прд — суммарные затраты от простоя локомотива на диагностировании
без учета диагностических операций, проведенных на плановых ремонтах, руб.:

Z ∑ пpд

 n mj

=  ∑ ∑Tдji m j  S пр ,
 j =1 i =1




где Sпр — стоимость одного часа простоя, руб.

Применение диагностических средств при переходе на систему
ремонта по техническому состоянию приводит к корректировке
количества плановых ремонтов.
Суммарное количество плановых видов ремонта, откорректиро(
ванное за счет применения системы диагностирования
N

K ∑ пд = ∑ K пдk ,
k =1

где Кпдк — количество плановых ремонтов k(го вида с учетом применения
диагностических средств.

Корректировка количества плановых видов ремонта достигается
за счет увеличения (уменьшения) межремонтных наработок в соот(
ветствии с текущим уровнем технического состояния. Решение об
остановке тепловоза на плановый ремонт соответствующего вида
осуществляется по результатам диагностирования определенного
перечня узлов, подвергаемых ремонту или техническому обслужи(
ванию на этом виде ремонта. Следовательно, конечное значение
104

количества ремонтов соответствующих видов, скорректированное
за счет применения средств диагностирования, будет равно мате
матическому ожиданию (среднему значению) корректировок по
каждому диагностическому средству, применяемому для узлов, ре
монтируемых на этом виде ремонта. Количество плановых ремон
тов kго вида
log(dkj )

n

∑ K пkj
K пдkj 

j 1



log d(k 1) j



1  P 
(1)
∑ oj

,

n

где Kпkj — количество плановых ремонтов kго вида, формируемых по jму
узлу, которые должны быть проведены за период Т, исходя из сложившегося
уровня надежности jго узла:

K пkj  N э Pj (Т ),
где Pj (T) — вероятность возникновения отказа jго узла за наработку Т:
T

P j (Т )  ∫ f j (t ) dt ,
0

где fj (t) — функция плотности распределения наработки до отказа jго узла
локомотива. При нормальном законе распределения функция плотности ве
роятности имеет вид
(Т Т j )2

f j (t ) 

1
 j 2

е

2 j 2

;

P∑(1)oj — вероятность ошибки первого рода (доля ложных тревог) диагнос

тических средств, применяемых к jму узлу:

P∑(1)oj

mj





 1   1  Po(1)
,
ij
i 1

где P (1) — вероятность ошибки первого рода iго диагностического средства,
oij
применяемого к jму узлу:

Po(1)
 1  Dij(1),
ij
105

где D (1) — достоверность диагностирования первого рода iго диагностичес
ij
кого средства, применяемого к jму узлу;
Zпд — суммарные затраты на проведение плановых ремонтов с диагности
рованием, руб.:
N

Z ∑ пд 

∑ Sпдk K ∑ пд ,

k 1

где Sпдk — стоимость проведения планового ремонта kго объема с примене
нием диагностических средств, руб.

Достоверность второго рода диагностических средств, применя
емых к jму узлу

D (2)
 1  Po(2)
,
j
j
где P (2) — вероятность ошибки второго рода (доля пропуска дефектов) диаг
oj
ностических средств, применяемых к jму узлу:

P∑(2)
oj

mj





 1   1  Po(2)
,
ij
i 1

где P (2) — вероятность ошибки второго рода iго диагностического средства,
oij
применяемого к jму узлу:

Po(2)
 1  Dij(2),
ij
где D (2) — достоверность второго рода iго диагностического средства при
ij
меняемого к jму узлу;
Zнд — суммарные затраты на проведение неплановых ремонтов при диагно
стировании, руб.;

Z ∑ нд

 Sнд  K нд ,

где S нд — средняя стоимость непланового ремонта с применением диагнос
тических средств, руб.;
Кнд — количество неплановых ремонтов при применении диагностичес
ких средств.

Суммарное количество неплановых ремонтов Кнд при примене
нии средств диагностирования рассчитывается с учетом корректи
ровки количества неплановых ремонтов, вносимых диагностируе
мыми узлами
106

K ндj = K нj

log(K нj )
log(d j )

(1 + P ),
(2)
oj

где dj — суммарное количество диагностирований j(го узла;

Poj(2) — вероятность ошибки второго рода (пропуска дефекта) всех средств
диагностирования, применяемых к j(му узлу.

Предварительная оценка эффективности применения средств
диагностирования, в первую очередь, должна применяться для ре(
шения задачи формирования комплекса диагностических средств
под конкретный парк локомотивов.

107

Глава 2. РОЛЬ И МЕСТО ДИАГНОСТИКИ
В ОБЕСПЕЧЕНИИ НАДЕЖНОСТИ
ЛОКОМОТИВНОГО ПАРКА
Эффективность работы железнодорожного транспорта, обеспе
чение потребностей экономики страны в перевозках грузов и пас
сажиров с соблюдением устойчивого и безопасного движения во
многом определяются надежной и четкой работой локомотивного
хозяйства. Эта отрасль железнодорожного транспорта выполняет
две основные функции — эффективное использование локомотив
ного парка, обеспечивающего устойчивость перевозочного процес
са, и поддержание надежности тягового подвижного состава на тре
буемом уровне. В соответствии с этим в локомотивном хозяйстве
можно выделить две системы: систему эксплуатации (СЭ) локомо
тивов и систему их технического обслуживания и ремонта (СТОР).
Задачей первой из них (СЭ) является оптимальное управление
процессом с целью своевременного обеспечения перевозок грузов
и пассажиров при минимальных затратах материальных и финан
совых ресурсов и безусловном соблюдении требований безопасно
сти движения. При эксплуатации парка локомотивов происходит
естественное расходование ресурса работоспособности их узлов и
деталей под воздействием рабочих нагрузок и факторов внешних
условий эксплуатации. Для восстановления работоспособности
и исправности локомотивов, обеспечения их надежности служит
вторая из названных систем (СТОР). Она представляет собой слож
ный комплекс технических средств и сооружений, позволяющих
поддерживать локомотивный парк в работоспособном состоянии за
счет выполнения регулярного технического обслуживания (ТО) и
текущих ремонтов (ТР), в ходе которых осуществляется ремонт или
замена неисправных, изношенных, разрегулированных, отказавших
деталей, узлов и агрегатов локомотивов.
Таким образом, задачей системы технического обслуживания и
ремонта является управление техническим состоянием парка локо
108

мотивов дороги, депо. Более того, для полного использования ре
сурса долговечности каждого узла, снижения ремонтных затрат не
обходимо выполнять ремонты и технические обслуживания своев
ременно, т.е. в соответствии с фактическим техническим состояни
ем, а это можно обеспечить только путем использования средств и
методов диагностирования узлов каждого локомотива. Этим опре
деляется роль и значение диагностики в системе технического об
служивания и ремонта и ее совершенствования.

2.1. Состояние парка локомотивов
и основные пути его улучшения
В настоящее время парк локомотивов ОАО «РЖД» превышает
19 тыс. единиц, в том числе 52 % составляют тепловозы и 48 % —
электровозы. В последний период все ощутимее проявляется тен
денция ежегодного увеличения количества локомотивов, эксплуа
тирующихся с превышением установленного срока службы, вызван
ным практически отсутствием поступления новых локомотивов в
период 1992—2002 гг. Это крайне негативно отразилось на возраст
ной структуре и техническом состоянии локомотивов
По сроку службы парк локомотивов можно разделить на четыре
категории:
– локомотивы, выработавшие установленный техническими
условиями (ТУ) заводаизготовителя ресурс;
– локомотивы, срок службы которых превышает 15 лет;
– локомотивы со сроком службы не более 5 лет (новые);
– модернизированные при капитальном ремонте локомотивы.
По состоянию на 01.01.2011 г. 12 % электровозов и 28,7 % тепло
возов выработали установленный ТУ срок службы, на 01.01.2012 г.
прогнозируется увеличение значений этих показателей соответ
ственно до 12,4 и 33,8 %. Наихудшее положение у парка пассажир
ских электровозов, где более половины локомотивов превысили
срок службы. Сейчас в парке находится около 1500 новых локомоти
вов и более 100 локомотивов, прошедших модернизацию на капи
тальном ремонте с продлением срока службы. Оставшаяся часть —
это локомотивы, чей срок службы не превышает установленный ТУ.
Техническое содержание подвижного состава является важной
составляющей обеспечения технологического процесса железнодо
рожных перевозок. Многие элементы конструкции тягового под
109

вижного состава, узлы, агрегаты, системы и локомотивы в целом
эксплуатируются 25—30 лет и имеют низкую эксплуатационную
надежность, что является причиной отказов при следовании поез
дов, требует дополнительных затрат при обслуживании и ремонте.
Ежегодно по вине локомотивного хозяйства происходит 25—30 %
задержек поездов по проследованию.
Согласно данным статистической отчетности распределение зат
рат на ремонтные работы при текущей эксплуатации и капиталь
ных видах ремонта составляет для электровозов 52,4 % и 47,6 % для
тепловозов, при этом на ТО и ТР приходится 73,6 %, а на капиталь
ные ремонты — 23,9 % затрат.
По состоянию на 01.01.2011 г. износ активной части основных
фондов в локомотивном хозяйстве в среднем составляет 80,2 %, в
том числе электровозов пассажирских — 80 %; тепловозов грузовых —
86 %; тепловозов пассажирских — 74 %.
Старение локомотивного парка и его ремонтных комплектов ве
дет к резкому ухудшению технического состояния. Отсутствие кон
троля при комплектовании переходных комплектов оборудования
привело к установке разноресурсных узлов и агрегатов, тем самым
в разы снизилась эксплуатационная надежность локомотива.
Рост числа неплановых ремонтов начался с 2005 г., когда нача
лось окончание сроков службы линейного оборудования локомо
тивов, что привело к массовой постановке локомотивов на непла
новый ремонт. Если в 2009 г. было зафиксировано 16,25 случая за
ходов электровозов на неплановый ремонт на 1 млн км пробега, то в
2010 г. этот показатель возрос до 26,67 случая. Для тепловозов эти циф
ры выглядят следующим образом: в 2009 г. — 16,8 случая на 1 млн км
пробега, а в 2010 г. — 43,66 случая. 2010 и 2011 гг. явились переломны
ми, так как роль регистрации отказов взяла на себя система «Касант»
и была выявлена реальная ситуация по техническому состоянию
локомотивного парка в отрасли. В большинстве случаев (65—75 %)
это является следствием неудовлетворительного качества текущего
ремонта и технического обслуживания.
Необходимо отметить, что ежесуточно на сети дорог в неэксп
луатируемом парке находятся около 2000 локомотивов, в том чис
ле более 300 единиц — на неплановом ремонте. Высоким остается
количество отказов, которые, в свою очередь, приводят к браку с
110

нарушением безопасности движения. Если в 2009 г. произошло
1044 случая порч и неисправностей электровозов, то в 2010 г. этот
показатель вырос до 1627 случаев. В удельных значениях это соот
ветственно 0,78 случая на 1 млн км пробега в 2009 г. и 1,18 случая
в 2010 г.
В этих условиях резко возрастает значение системы техническо
го обслуживания и ремонта локомотивов, совершенствования ее
содержания и структуры, повышения качества ремонта и его конт
роля, предотвращения отказов на линии путем использования ме
тодов и средств диагностирования технического состояния узлов,
агрегатов и других элементов локомотивов [44, 45]. Для обеспече
ния выполнения заданий по грузовым и пассажирским перевозкам
требуется уделять большое внимание обновлению парка локомоти
вов, его своевременному и качественному ремонту, эффективному
использованию локомотивов в эксплуатации без ущерба их техни
ческому состоянию.
Понимая все стоящие перед отраслью проблемы, Минтранс Рос
сии и ОАО «РЖД» разработали совместно с причастными министер
ствами и научными организациями программные документы —
«Стратегия развития железнодорожного транспорта до 2030 г.» и
«Стратегия развития транспортной системы до 2030 г.» Минпром
энерго России утверждена «Стратегия развития транспортного ма
шиностроения в Российской Федерации до 2015 г.». В этих доку
ментах определены качественные и эксплуатационные требования
и показатели к созданию нового подвижного состава [46], направ
ленные, прежде всего, на:
– разработку технических требований на новые типы тягового
подвижного состава с минимизацией затрат за жизненный цикл
эксплуатации;
– формирование нормативнометодической и статистической
базы для управления жизненным циклом технических средств;
– разработку нормативнометодологической базы для расчета
параметров эксплуатационной готовности, прочности, безопасно
сти и ресурса;
– разработку новых элементов подвижного состава и инфра
структуры, обеспечивающих повышение надежности и безопасно
сти в эксплуатации;
111

– разработку принципиально новых систем диагностики и мо
ниторинга локомотивов и их агрегатов, а также объектов инфра
структуры;
– увеличение скоростей движения и нагрузки на ось;
– улучшение взаимодействия в системе колесо—рельс.
В отличие от существующего метода использования единствен
ного критерия — стоимости затрат на приобретение, стоимость
жизненного цикла дает возможность представить затраты с самого
начала проработки концепции создания нового локомотива до мо
мента его списания и утилизации.
В конструкции новых локомотивов закладываются следующие
параметры:
– осевые нагрузки 27—30 тс;
– сокращение удельного расхода топлива и электроэнергии на
тягу поездов на 10—15 %;
– увеличение наработки локомотива на отказ на 30—40 %;
– увеличение ресурса бандажей до 1 млн км;
– увеличение мощности газотепловозов и газотурбовозов до
10 тыс. кВт;
– применение асинхронного тягового привода;
– применение тяговых двигателей на постоянных магнитах;
– применение на локомотиве нескольких источников энергии;
– применение новых тележек, в том числе с раздвижными ко
лесными парами;
– применение на локомотиве системы управления распределен
ной тягой по радиоканалу;
– применение на локомотиве комплекса технических средств
бортовой диагностики.
Потребность в новом тяговом подвижном составе (ТПС) для
железных дорог страны до 2030 г. ориентировочно составляет 42700
единиц, в том числе приобретение новых локомотивов — 24200,
модернизированных — 18500. Для повышения эффективности зап
ланированных направлений и объемов обновления локомотивного
парка потребуется решение важных и сложных научных, организа
ционных и экономических задач управления качеством, надежнос
тью и экономичностью этого парка локомотивов на этапе их эксп
луатации, а также их технического обслуживания и ремонта.

112

2.2. Принципы управления надежностью ТПС
на различных этапах жизненного цикла локомотивов
Принятые в программе развития российских железных дорог,
«Стратегия развития железнодорожного транспорта до 2030 г.»,
цели и требования к техническим средствам предусматривают
значительное обновление средств на основе внедрения инноваци
онных технологий. Достижение передовых международных стандар
тов, высоких техникоэкономических показателей используемого ТПС
и других технических средств, обеспечение высокого уровня безо
пасности — приоритетные направления в деятельности ОАО «РЖД»
по техническому перевооружению и модернизации [47].
Для достижения целей инновационного развития особое зна
чение приобретает стратегическое системное управление качеством
на всех этапах жизненного цикла технических средств, обеспечи
вающих перевозки, в первую очередь, тягового подвижного соста
ва. Наибольшего внимания заслуживают этапы формирования тех
нических требований к ТПС — их проектирование, создание пер
вичного образца, испытания, доводка, технологическая подготовка
производства к серийному выпуску. Эти технические требования
должны обеспечить соответствие новых локомотивов самым пе
редовым достижениям научнотехнического прогресса в отноше
нии параметров их качества (функциональных, технологических,
экономических и эргономических).
В качестве первоочередных мер в ОАО «РЖД» создано специ
альное подразделение по координации разработки, освоения про
изводства и внедрения новых образцов подвижного состава. При
этом предусматривается включение следующих показателей в тех
нические требования:
– стоимость жизненного цикла локомотива;
– надежность в эксплуатации;
– ремонтопригодность;
– ресурс безотказной работы.
Создана система мониторинга качества новых локомотивов (в
отношении, в первую очередь, перечисленных параметров) в пе
риод гарантийной эксплуатации. Таким образом, уже на первом
этапе жизненного цикла локомотива обращается внимание на обес
печение одной из главных составляющих функционального каче
ства создаваемого нового локомотива — его надежности.
113

Под жизненным циклом (создание и использование) единицы
тягового подвижного состава (ЕТПС) понимается период време
ни, включающий научные исследования с целью получения необ
ходимых данных для проектирования нового локомотива, разра
ботку рабочего проекта, создание опытного образца, испытания, до
водку, серийный выпуск, использование по назначению, техничес
кое обслуживание и ремонт, вплоть до исключения из инвентаря.
На первом этапе жизненного цикла, который завершается се
рийным выпуском локомотива (этап создания нового локомоти
ва), закладывается комплекс функциональных параметров каче
ства (мощность, скорость, сила тяги, удельный расход топлива или
электроэнергии) и некоторый потенциальный уровень надежнос
ти (безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраня
емость). Этот уровень качества и надежности характеризуется со
вокупностью рабочих параметров Хpi (i = 1, 2, …, n) узлов, деталей и
локомотива в целом (конструктивные решения, материалы деталей,
размеры, зазоры, характеристики прочности и износостойкости),
которые при расчетных нагрузках в эксплуатации позволяют обес
печить реализацию назначенного ресурса долговечности элементов
и срока службы локомотива в целом. При этом каждый из пере
численных рабочих параметров Хpi находится в поле допуска, бла
годаря чему каждый из узлов и локомотивов в целом отвечает тре
бованиям технических условий и является исправным и работо
способным. Тем не менее, несмотря на стабильность технологии
изготовления и сборки, применение одних и тех же материалов
для изготовления однотипных деталей, вместо конкретного детер
на практике
минированного значения рабочего параметра X
р.ср
приходится иметь дело с его распределением в поле допуска, опи
сываемым плотностью распределения fpi(х). Таким образом, каж
дый локомотив серии уже на стадии создания обладает индивиду
альными свойствами в рамках допусков.
Разброс рабочих свойств при изготовлении объясняется не только
допусками на значения тех или иных параметров элемента (детали,
узла, сопряжения), но и отклонениями от границ поля допуска, ко
торые имеют место при нарушениях технологии изготовления и
низком качестве выходного контроля. Для количественной оценки
разброса рабочих параметров на стадии изготовления в качестве
114

115

Закон распределения рабочих параметров узлов тепловоза на стадии изготовления

Таблица 2.1

примера произведен статистический анализ распределений ряда
параметров дизелей 10Д100 тепловозов 2ТЭ10Л, выполненный по
данным заводских испытаний 40 дизелей. В табл. 2.1 приведены
результаты этого анализа в виде плотностей распределений пара!
метров с указанием их числовых характеристик. Разброс рабочих
параметров элементов дизелей приводит к неизбежному рассеива!
нию значений показателей рабочего цикла в цилиндрах дизеля. Для
примера на рис. 2.1 показана гистограмма распределения макси!
мального давления сгорания Рz дизелей 10Д100.
Заложенный при изготовлении уровень надежности локомоти!
вов реализуется в конкретных условиях эксплуатации, которые су!
щественно отличаются на различных полигонах и тяговых участках
(интенсивность использования, режимы работы, параметры пути по
профилю и плану, условия внешней среды); под действием сово!
купности параметров эксплуатационных условий Хэ происходит
изменение рабочих параметров Хр (износ, старение материалов де!
талей, разрегулировка узлов) с различной скоростью. Происходит
ухудшение работоспособности, понижение уровня надежности.

Рис. 2.1. Гистограмма распределения максимального давления сгорания Pz
дизелей 10Д100

116

Уровень интенсивности использования локомотивов на конк
ретном тяговом участке (перевалистость профиля, наличие кривых,
весовая норма поездов, величина скорости) формируют определен
ный спектр режимов работы узлов локомотива как по средней ве
личине мощности, так и по ее изменчивости во времени. От режи
мов работы зависят механические нагрузки на детали, тепловая и
электрическая напряженность механических и электрических эле
ментов. Особо вредное воздействие оказывают неблагоприятные
режимы и их сочетания: частые пуски и остановки дизеля; частые
«сбросынабросы» позиций контроллера, особенно допускаемые в
широких диапазонах; холостой ход. Одним из важнейших показа
телей режимов работы тепловоза является эффективная мощность
дизеля Nэ. На рис. 2.2 показана статистическая гистограмма рас
пределения мощности под нагрузкой для тепловоза ТЭ3, реализо
ванной на одном из тяговых плеч ЗападноСибирской ж.д. Для каж
дого тягового участка существует свое распределение нагрузки, ха
рактеризуемое средним значением мощности Nеср (или коэффици
ентом загрузки νN) и коэффициентом вариации υN.
В табл. 2.2 приведены значения νN и υN, а также среднее число
неплановых ремонтов за год, приходящихся на один дизель 2Д100,
для трех тепловозных депо.

Рис. 2.2. Статистическая гистограмма распределения мощности под нагруз
кой для тепловоза ТЭ3

117

Таблица 2.2
Средние значения коэффициентов

Эти данные говорят о том, что с повышением интенсивности заг
рузки тепловозного дизеля по мощности возрастает число непла
новых ремонтов, т.е. понижается надежность дизелей.
В комплекс параметров внешней среды, в которой функциони
руют локомотивы, входят следующие погодноклиматические па
раметры:
– температура атмосферного воздуха (максимально высокие и
максимально низкие значения и их перепады);
– атмосферное давление;
– влажность воздуха;
– наличие ветра (скорость, направление);
– запыленность воздуха (содержание абразивных частиц);
– атмосферные осадки (дождь, снег, роса, иней, гололед).
Существенное влияние на работоспособность и надежность теп
ловозов оказывает не только среднее и абсолютное значения тем
пературы внешней среды, но и ее перепады в течение суток в од
ном пункте ∆t, а также между конечными пунктами в начале и кон
це тягового плеча ∆tнк.
Для примера в табл. 2.3 приведены результаты анализа измене
ния параметров атмосферы в пунктах одного из тяговых плеч За
байкальской ж.д.
Воздействие окружающей среды, усиленное высокой интенсив
ностью использования локомотивов, на их узлы и детали приводит
к нарушению работоспособности, изменению рабочих параметров
и характеристик. Чтобы обеспечить безотказную и эффективную
работу локомотивов в различных условиях эксплуатации, необхо
димо знать, какое влияние оказывают факторы внешней среды и
системы эксплуатации. В ряде отраслей (авиация, космическая тех
ника) эта задача в отношении аппаратуры решается с помощью ис
пытаний, имитирующих эксплуатационные воздействия среды и
118

Таблица 2.3
Среднегодовые значения атмосферных параметров

режимов работы. Однако, в отношении локомотивов такая рабо
та на стадии их создания практически не проводится, в результате
чего тепловозы и электровозы для всей сети отечественных же
лезных дорог строятся в одном конструктивном исполнении без
дифференцированного учета всех многообразных сочетаний по
годноклиматических факторов и параметров интенсивности экс
плуатации, которые имеют место на сети железных дорог. Более
того, действующие в последнее время нормы параметров, харак
теризующих систему технического обслуживания и ремонта ло
комотивов (межремонтные периоды, виды и объемы ремонтных
работ, расход запчастей и материалов и т.д.), являются среднесете
выми, т.е. не учитывают конкретных условий эксплуатации.
Решение задачи установления зависимости показателей надеж
ности и работоспособности локомотивов от параметров окружаю
щей среды и интенсивности использования возможно путем ис
пользования корреляционных зависимостей интенсивности изна
119

шивания (старения) или средней длительности работы деталей до
отказа (предельно допустимого износа) от числовых характерис
тик распределений параметров внешней среды и интенсивности
использования локомотивов. Исходными данными для корреля
ционного анализа в этом случае должна быть статистическая ин
формация, получаемая путем проведения производственного экс
перимента в различных условиях эксплуатации. Нахождение ука
занных корреляционных зависимостей сопряжено с большими труд
ностями, так как необходимо собрать и обработать огромный
статистический материал для существенно различных условий экс
плуатации, учитывая при этом, что влияние их проявляется не мгно
венно, а с определенной сдвижкой во времени.
Результаты такого изучения могут быть использованы при ре
шении вопросов повышения надежности и оптимизации систем
эксплуатации локомотивов (режимы работы) и их ремонта (меж
ремонтные периоды). Воздействие условий эксплуатации на раз
личные элементы локомотивов может быть обусловлено как при
родными (естественными, внешними) факторами, так и искусствен
ными, создаваемыми в закрытых (внутренних) системах локомоти
вов, в сочленениях деталей. Искусственные факторы формируют
«микроклимат» той или иной детали, сочленения, системы. При
этом на параметры «микроклимата» в значительной степени влия
ют факторы естественные, т.е. в большинстве случаев естественные
факторы внешней среды воздействуют на узлы и детали локомоти
ва через «микроклимат» его систем.
Условия эксплуатации и режимы работы локомотивов с течени
ем времени и при переходе от одного образца к другому случайным
образом меняются. Это приводит к тому, что вместо детерминиро
ванной расчетной нагрузки на каждую деталь действует их распре
деление с некоторой плотностью вероятностей. Вероятностный
характер заложенных при создании локомотивов рабочих свойств
деталей, а также условий эксплуатации и режимов работы (т.е. на
грузок) приводит в эксплуатации к неизбежному разбросу длитель
ности работы деталей и узлов до отказа. Это вполне естественно,
так как длительность работы до отказа является функцией рабочих
свойств, нагрузок и условий эксплуатации. Аналогичное влияние
распределений рабочих свойств и условий эксплуатации имеет ме
сто и на такие параметры, характеризующие надежность локомоти
120

вов в эксплуатации, как показатели ремонтопригодности — дли
тельность восстановления после отказа, затраты трудовых, матери
альных ресурсов и финансовых средств на ремонт локомотивов.
Рассмотренные в общем виде связи позволяют не только объяс
нить случайный характер величин, определяющих надежность в
эксплуатации, но и наметить пути расчета надежности на основе
изучения рабочих свойств деталей, узлов и локомотива в целом на
стадии их создания и условий, в которых они будут работать, т.е.
прогнозировать надежность создаваемых локомотивов.
Реализованный в конкретных условиях уровень надежности
локомотивов предполагает установление соответствующей сис
темы их ремонтного обслуживания, характеризующейся некото
рыми значениями ее параметров (виды и порядок чередования ре
монтов, межремонтные пробеги, объемы восстановительных работ
на ремонтах и пр.). Различные значения этих параметров оказыва
ют влияние на показатели эксплуатационной надежности, т.е. из
менение параметров системы ремонта приведет к изменению на
дежности локомотивов в эксплуатации. Таким образом, между на
дежностью локомотивов в эксплуатации и системой их ремонтного
обслуживания существует как прямая, так и обратная связь.
Аналогичным образом можно показать, что обратная связь
должна быть между процессом создания локомотивов и их на
дежностью, с одной стороны, а также между режимами работы
локомотивов и их надежностью — с другой. Наличие этих связей
дает возможность оптимизировать процесс создания локомоти
вов так, чтобы общие затраты на создание, эксплуатацию и ремонт
ное обслуживание локомотивов были минимальными. На стадии
создания в зависимости от величины затрат Ес обеспечиваются те
или иные рабочие характеристики и соответствующий уровень на
дежности Нс. При этом для создания нового тепловоза с более вы
соким уровнем надежности требуется затратить больше средств,
чем для обеспечения низкого уровня надежности. На стадии исполь
зования в зависимости от режимов работы (нагрузок Хэ) и усло
вий эксплуатации, а также от системы ремонта, характеризующейся
совокупностью ее параметров Zр, реализуется некоторый уровень
эксплуатационной надежности Нэ, а также затрат на эксплуата
цию Еэ и на ремонт Ер. Рассмотренные зависимости в общем виде
можно представить следующим образом:
121

Нс = нс(Ес);

(2.1)

Нэ = нэ(Нс, Хэ);

(2.2)

Еэ + Ер = эр(Нс, Хэ, Zр).

(2.3)

Таким образом, уровень надежности Н фигурирует одновремен
но в приведенных сопряженных зависимостях. В первой из них
(сфера создания локомотивов) надежность является функцией зат
рат на создание, во второй (сфера эксплуатации локомотивов) зат
раты на эксплуатацию и ремонт являются функцией надежности.
Оптимальным следует считать такой уровень надежности, которо
му соответствует минимум суммарной функции затрат на создание,
эксплуатацию и ремонт локомотива:

Е = Ес + Еэ + Ер = Е (Хр, Хэ, Zр).

(2.4)

Отсюда следует, что суммарные затраты являются функцией ра
бочих свойств Хр локомотива, заложенных на стадии создания, на
грузок Хэ, являющихся следствием конкретных условий эксплуата
ции и режимов работы, а также параметров системы ремонта Zр,
зависящих, в свою очередь, от Хр и Хэ. На рис. 2.3 показана схема
зависимости параметров надежности локомотива L , L , L от ра









бочих параметров X ,  ,  , заложенных при создании, и условий
p р р





эксплуатации Х ,  ,  при использовании, а также формирова
э э э
ния затрат на стадиях создания, эксплуатации и ремонтного обслу
живания.
Как следует из приведенных соображений, надежность локомо
тивов в эксплуатации является связующим звеном и основой для
выбора той или иной стратегии, которая должна применяться на
стадиях изготовления, использования и ремонтного обслуживания
локомотивов. Таким образом, для повышения эффективности ис
пользования локомотивов необходимо управлять их надежностью.
Искусственное расчленение рассмотренных стадий жизненного
цикла локомотивов и попытки оптимизации каждого из этих про
цессов в отдельности без учета уровня надежности в эксплуата
ции не могут полностью вскрыть резервы повышения эффектив
ности локомотивов, особенно при возрастающей сложности их
конструкции, повышении интенсивности их использования и рас
122

Рис. 2.3. Схема взаимозависимости параметров локомотива на стадиях
жизненного цикла

ширении климатических зон для новых железнодорожных линий.
Только комплексный подход к оптимизации процессов создания,
использования и ремонтного обслуживания локомотивов, как еди
ного процесса, даст возможность решить проблему повышения эф
фективности электрической и тепловозной тяги в соответствии с
современными требованиями.
Исходя из проведенного анализа процессов, имеющих место на
различных стадиях жизненного цикла локомотивов, можно сфор
123

мулировать основные принципы [48, 49], которые должны быть
положены в основу разработки методов управления уровнем их на
дежности в эксплуатации, добиваясь минимума затрат за весь жиз
ненный цикл:
– системный подход к решению проблемы, т.е. рассмотрение
стадий проектирования, изготовления, эксплуатации, техническо
го обслуживания и ремонта, на которых закладывается, реализует
ся и восстанавливается надежность локомотивов, в их взаимосвязи
и неразрывности;
– оптимизация параметров системы технического обслужива
ния и ремонта парка локомотивов с учетом конкретных условий
эксплуатации на различных полигонах тяги, т.е. применение диф
ференцированного подхода к решению задачи планирования ре
монтов;
– учет индивидуальных свойств каждого локомотива с помощью
современных методов и технических средств диагностирования его
узлов и агрегатов при назначении сроков проведения плановых ре
монтов и оценке качества их выполнения;
– использование количественных показателей надежности узлов
и деталей локомотивов, а также экономических последствий отка
зов и порч на линии, для обоснованной оценки фактической тех
никоэкономической эффективности использования локомотивов
в конкретных условиях эксплуатации.

2.3. Система технического обслуживания и ремонта,
пути ее совершенствования
Результатом использования локомотивов в конкретных усло
виях эксплуатации является получение полезного эффекта, т.е. пе
ревозки грузов и пассажиров. На это расходуется топливо, элект
роэнергия, смазочные и другие материалы, а также труд многих
работников, специалистов. При этом зачастую для повышения эф
фективности использования локомотивов увеличивают интенсив
ность их работы (повышение скоростей движения и массы поездов),
что, естественно, увеличивает затраты. Но это не единственный вид
платы за полученный эффект — в процессе эксплуатации расходу
ется ресурс работоспособности и надежности локомотивов, зало
женный при их создании, что также сопровождается соответству
ющими затратами. Для частичного или полного восстановления
124

работоспособности и надежности предусмотрена система техни
ческого обслуживания и ремонта (ТОР), располагающая определен
ным потенциалом в виде производственных помещений, оборудо
вания, контрольных и диагностических приборов и инструментов, ма
териалов, запасных частей, запасов энергии и рабочей силы. Этот
потенциал ТОР также расходуется в ходе восстановления работоспо
собности и надежности локомотивов.
Соединяя парк локомотивов с системой технического обслужи
вания и ремонта, получаем новую систему с параллельным соеди
нением двух элементов, характерным для резервирования, приме
няемого для повышения надежности сложных систем. Специфика
этого соединения заключается в том, что резерв создается не в са
мом локомотиве, не за счет запаса его прочности и долговечности
(т.е. усложнение и утяжеление его конструкции, к чему ведет ре
зервирование в обычном понимании), а остается вне локомотива
в виде ремонтных цехов депо и заводов, способных восстанавли
вать и заменять неработоспособные элементы, продляя долговеч
ность локомотива.
Техническое состояние локомотивов в процессе эксплуатации
изменяется, точнее говоря, ухудшается под действием эксплуата
ционных факторов (внутренних и внешних) вследствие изнашива
ния деталей и механизмов, нарушения регулировок, ослабления
креплений, поломок и других неисправностей; в электрических
машинах и аппаратах ухудшаются электрические и механические
свойства изоляции. В результате снижается надежность узлов, аг
регатов и локомотива в целом (как свойство сохранять работоспо
собность, безотказность, а также экономичность и экологические
характеристики в требуемых пределах). Таким образом, ресурс на
дежности, заложенный в конструкции локомотива при проектиро
вании и постройке постепенно расходуется, и при его значении ниже
определенного уровня может произойти отказ локомотива на ли
нии (порча), что может стать причиной аварии, нарушения графи
ка движения поездов, перерасхода топлива или электроэнергии и
т.п. И важнейшей задачей системы технического обслуживания и
ремонта является не только восстановление работоспособности, но
и предупреждение перечисленных явлений, обеспечение безопас
ности движения поездов, чего можно достичь лишь зная фактичес
кое техническое состояние элементов локомотива.
125

Современные технические объекты (машины, аппараты, устрой
ства, приборы) в подавляющем большинстве являются сложны
ми, т.е. состоят из многих узлов, блоков и еще более многочислен
ных деталей, элементов, имеющих различную долговечность, что
объясняется их различным функциональным назначением, неоди
наковыми рабочими нагрузками, разными свойствами материалов
и т.п. Иногда полагают, что следует стремиться проектировать и со
здавать машину, состоящую из деталей с одинаковой долговечнос
тью, которой и будет ограничиваться срок службы машины в це
лом. Такая «идеальная» машина при эксплуатации не требовала бы
никакого ремонта, и ее после одновременного исчерпания ресурса
всех элементов целесообразно было бы списать и заменить новой.
Однако, как показывает опыт развития техники, создание машин из
равнопрочных, равнонадежных, равнодолговечных деталей в бли
жайшем будущем маловероятно и экономически нецелесообразно.
Поэтому сохраняется необходимость в ремонте сложных техничес
ких объектов. За счет ремонта достигается наиболее полное исполь
зование технического ресурса различных деталей, узлов и агрегатов
машины, что и обусловливает его экономическую целесообразность.
Даже в условиях неспециализированных предприятий стоимость
восстановленной путем ремонта детали значительно ниже стоимо
сти новой.
За длительный период развития сложных технических систем и
объектов в разных странах и отраслях техники разрабатывались
различные принципы, стратегии и структуры систем технического
обслуживания (профилактики) и ремонта технических объектов.
Среди этих стратегий можно назвать следующие:
– все однотипные элементы технического объекта или системы
заменяются новыми после их отказов;
– каждый элемент заменяется новым, если он проработал в те
чение заданного времени, т.е. назначенного ресурса (эта стратегия
наиболее характерна для военной техники);
– при эксплуатации системы с перерывами в работе в течение
их организуется проверка состояния элементов; при обнаружении
отказавших их заменяют новыми.
Вообще все стратегии профилактики сложных технических сис
тем можно разделить на две группы. В первом случае используется
только априорная информация о надежности (долговечности) эле
ментов системы (например, закон распределения длительности бе
126

зотказной работы или ее среднее значение) и профилактика (ре
монт) проводится регулярно через назначенные на этой основе пе
риоды времени или наработки. Во втором случае учитывается и
апостериорная информация, полученная в ходе проверок путем из
мерения рабочих параметров системы (диагностирования), и реше
ние о проведении ремонта принимается по их результатам. Перво
му направлению посвящено наибольшее число работ как в нашей
стране, так и за рубежом. В последний период все большее вни
мание исследователей и практиков привлекает второе направле
ние, обеспечивающее большую гибкость системы ремонта за счет
применения методов технического диагностирования. При этом
существенно повышается степень использования технического ре
сурса элементов технической системы.
Комплекс взаимосвязанных положений и норм, определяющих
организацию и порядок проведения работ для восстановления ра
ботоспособности и исправности технических объектов составляет
систему технического обслуживания и ремонта. В нашей стране
разработана и внедрена во всех отраслях техники система планово
предупредительных ремонтов (ППP), которая, отражая специфику
планового социалистического хозяйства, явилась важнейшим про
грессивным мероприятием, способствующим повышению долго
вечности оборудования и машин. За многие десятилетия приме
нения система ППР показала свои преимущества перед другими си
стемами: системой послеосмотровых ремонтов, системой стандарт
ных ремонтов и др. Достоинства системы ППР заключаются в том,
что сохранение постоянной структуры ремонтного цикла, а также
средних соотношений объемов ремонтных работ между отдельны
ми видами ремонтов дают возможность:
– планирования ремонта парка машин;
– произвести расчеты затрат рабочей силы, оборудования, запас
ных частей и материалов, необходимых для ремонта на перспективу;
– предусмотреть целый комплекс профилактических мероприя
тий, не допускающих наступления катастрофического износа или
неожиданного выхода из строя оборудования.
С другой стороны, система ППР обладает и существенными не
достатками:
– не учитывает специфики условий эксплуатации конкретного
экземпляра машины, изменения ее технического состояния во вре
мени;
127

– не позволяет корректировать длительность межремонтных пе
риодов и объемов ремонтных работ;
– обладает в связи с этим излишней жесткостью, приводящей к
недоиспользованию ресурса отдельных узлов и машины в целом;
– характеризуется неоправданным увеличением ремонтных рас
ходов.
Применяемые в различных отраслях техники (в том числе для
локомотивов железных дорог) системы ППР предусматривают неоди
наковое число видов ремонтов в ремонтном цикле (от 4 до 12), раз
личную структуру цикла (порядок чередования видов ремонта), раз
личные соотношения объемов восстановительных работ и величин
межремонтных периодов для разных видов технических обслужи
вании и ремонтов.
Система ремонта локомотивов зародилась в начале эпохи паро
возной тяги и за более чем вековой период использования парово
зов сформировалась в систему их планового оздоровления, осно
ванную на периодическом выполнении необходимого ремонта. Эта
система ремонта паровозов включала текущий (служебный, промы
вочный и подъемочный), средний и капитальный ремонты, кото
рые производились через установленные промежутки времени или
пробега.
С появлением новых видов тяги — тепловозной с 1924 г. и элек
трической с 1932 г. — многие положения, определяющие систему
ремонта электровозов и тепловозов, были взяты из практики ремон
та паровозов. В дальнейшем, по мере накопления опыта использо
вания новых локомотивов, а также развития ремонтной базы сис
тема их технического обслуживания и ремонта подверглась совер
шенствованию.
Результаты многолетней работы по опытной проверке различных
мероприятий, направленных на улучшение структуры ремонтного
цикла, обоснование величины межремонтных периодов для различ
ных серий новых тепловозов и электровозов, положены в основу
Положения о системе технического обслуживания и ремонта локо
мотивов ОАО «РЖД», утвержденного распоряжением ОАО «РЖД»
17.01.2005 г. № 3р. Эта система предусматривает наличие в ремонт
ном цикле технических обслуживаний ТО1, ТО2, ТО3, ТО4, ТО5
(а, б, в, г); текущих ремонтов ТР1, ТР2, ТР3; среднего ремонта (СР)
и капитального ремонта (КР).
128

Технические обслуживания ТО1, ТО2, ТО3 проводятся с ут
вержденной периодичностью в пунктах технического обслуживания
локомотивов (ПТОЛ) и депо приписки и предназначены для конт
роля технического состояния узлов и систем локомотивов в целях
предупреждения отказов в эксплуатации. Технические обслужива
ния ТО4, ТО5а, ТО5б, ТО5в, ТО5г выполняются по необходи
мости (обточка бандажей без выкатки колесных пар, перевод локо
мотива в запас или резерв дороги и т.п.).
Текущие ремонты выполняются, как правило, в депо приписки
(ТР1), в специализированных ремонтных депо (ТР2) и в базовых
ремонтных депо (ТР3). Средний ремонт локомотивов выполняют
в базовых ремонтных депо, на локомотиворемонтных заводах ОАО
«РЖД» или в сторонних организациях, специализирующихся на
ремонте локомотивов. Капитальный ремонт, предназначенный для
восстановления эксплуатационных характеристик локомотива, ис
правности и его ресурса, близкого к новому, также производят на
локомотиворемонтных заводах ОАО «РЖД» или в сторонних орга
низациях, осуществляющих ремонт локомотивов. Величины усред
ненных норм межремонтных пробегов для каждой серии локомо
тивов утверждены указанным распоряжением едиными для всей
сети железных дорог ОАО «РЖД».
Программными документами железнодорожной отрасли перед
локомотивным хозяйством поставлена задача создания системы техни
ческого обслуживания и ремонта локомотивов, в основе которой
будет лежать сервисное обслуживание их предприятиямиизготови
телями, широкое использование стационарного, переносного и бор
тового диагностирования, существенное увеличение межремонтных
пробегов. В принятом на сетевом совещании 30.01.2009 г. реше
нии по стратегии совершенствования системы технического обслу
живания и ремонта тягового подвижного состава отмечается, что
«нельзя загонять новые локомотивы в старые рамки. Их содержа
ние и ремонт должны быть организованы по фактическому техни
ческому состоянию». При пересмотре нормативов рекомендовано
учитывать специфику и условия производственной деятельности
линейных предприятий каждой магистрали [48]. Запланирован пе
ресмотр Положения о системе технического обслуживания и ремон
та локомотивов. В частности, предусмотрен индивидуальный под
ход к показателям надежности ТПС каждой дороги — времени про
129

стоя в ремонте, проценту неисправных локомотивов; будут отме
нены среднесетевые показатели в части межремонтных периодов.
Таким образом, идеи дифференцированного подхода к определе
нию межремонтных периодов локомотивов в различных условиях эк
сплуатации и оптимизации параметров системы технического обслу
живания и ремонта, определения и учета индивидуальных свойств
локомотива путем диагностирования и в целом управления надеж
ностью локомотивов с учетом взаимосвязей отдельных этапов их
жизненного цикла, высказанные еще в 90е гг. ХХ в. в ряде иссле
дований, например в [49, 50], наконец, приобретают реальные чер
ты практического внедрения на железных дорогах страны. Струк
тура системы управления техническим состоянием локомотивов,
основанной на современных принципах и достижениях в области
методов и средств диагностирования, возможностях информати
ки и вычислительной техники для анализа статистических данных
о надежности и оптимизации параметров системы технического
обслуживания и ремонта локомотивов разработана в лаборатории
«Системные вопросы ремонта тягового подвижного состава» [51].
В программе стратегического развития ОАО «РЖД» поставлена
задача перехода на ремонт по техническому состоянию локомотив
ного и вагонного парка. В этих условиях для обеспечения требуе
мого уровня надежности, минимизации расхода на все виды обслу
живания и ремонта локомотивов с учетом предупреждения отказов
на линии и более полного использования ресурса долговечности
узлов и деталей, необходимо создание комплексной системы вос
становления работоспособности и исправности с использованием
не только стационарных, но и переносных и бортовых средств ди
агностирования. Такая комплексная система должна базироваться
на широком применении информатики и компьютеров для обес
печения автоматизации накопления, хранения и анализа статис
тических данных о параметрах технического состояния элементов
локомотивов, о неисправностях и отказах узлов и деталей. Каче
ственным отличием такой системы от ранее применявшихся под
ходов к содержанию ТПС является то, что управление техническим
состоянием оборудования осуществляется с учетом экономически
обоснованных затрат, формирующих стоимость жизненного цикла
локомотива. С одной стороны, уровень надежности локомотивов
(например, параметр потока отказов ωср, коэффициент готовности
130

Кг) зависит от потенциального ресурса долговечности узлов и дета
лей, заложенного на стадии создания, и от интенсивности режимов
и условий эксплуатации на конкретном полигоне. Поэтому пара
метры системы технического обслуживания и ремонта (периодич
ность и объем выполняемых обслуживаний и ремонтов) должны со
ответствовать реализованному в этих условиях уровню надежности.
С другой стороны, повреждаемость локомотивов после восстанов
ления работоспособности с помощью данной системы техническо
го обслуживания и ремонта будет зависеть от ее параметров. Ины
ми словами, между уровнем надежности в эксплуатации и парамет
рами системы ТОР существует как прямая, так и обратная связь.
Именно это обстоятельство дает основания для управления техни
ческим состоянием и надежностью локомотивов и в целом эффек
тивностью их использования в течение жизненного цикла.
Управление техническим состоянием тягового подвижного со
става является многофакторной задачей. Ее решение должно быть
направлено на выявление, предупреждение и устранение неисправ
ностей узлов и деталей, что позволяет предотвратить последующие
отказы на линии, повысить безопасность движения. В последние
десятилетия в мире применялись несколько стратегий техническо
го обслуживания и ремонта технических средств [51]:
– ремонт по факту поломки (наличие явного внезапного отказа);
– плановопредупредительная система ремонта (ППР);
– ремонт по техническому состоянию (контроль развития пре
дотказовых состояний изза изнашивания, старения);
– RСМ — ремонты, ориентированные на надежность узлов;
– ТРМ — комплексный подход.
Эти стратегии перечислены здесь в порядке увеличения уровня
надежности, которого можно достичь при той или иной стратегии
и соответствующих затратах на их реализацию, т.е. наиболее пред
почтительными по этому критерию являются последние три стра
тегии [51].
Стратегия (RСМ), ориентированная на надежность основных
узлов и агрегатов, предполагает классификацию узлов локомотивов
в соответствии с критичностью и риском их отказов. Приоритет в
производстве ремонта отдается наиболее критичным узлам, подвер
женным отказам. Для них разрабатываются программы ремонта по
техническому состоянию. RСМ требует детально прописанную ре
131

монтную стратегию с применением средств диагностирования узла
для своевременного контроля изменения его технического состоя
ния и учета соответствующих затрат.
Стратегия технического обслуживания и ремонта ТРМ — это
прежде всего решение комплексной задачи сопровождения узлов и
элементов локомотива от проектирования до эксплуатации, обслу
живания и ремонта. По сути это научное обеспечение сервисного
обслуживания, где на всех этапах жизненного цикла присутствуют
изготовитель и потребитель (пользователь) локомотива. Минимиза
ция дефектов в эксплуатации достигается за счет своевременного
выявления глубинных причин развивающихся отказов узлов и агре
гатов с применением новейших достижений физического и хими
ческого анализа, методов неразрушающего контроля и диагности
рования. Решение проблемы в этих случаях может привести к пе
ресмотру технологического процесса изготовления, модернизации
узла, конструкторским изменениям, замене материала детали и т.д.
Отсутствие отказов в эксплуатации может быть достигнуто в ТРМ
за счет поэтапного, систематического выполнения комплекса ме
роприятий, основанных на сертификации оборудования для выпол
нения технических обслуживаний и ремонтов, в том числе техни
ческих средств диагностирования. Предпосылки высокой надежно
сти оборудования локомотивов в соответствии с концепцией ТРМ
закладываются еще на стадии проектирования нового тягового под
вижного состава. Это достигается за счет применения стандартов
МЭК 60812 «Методы анализа надежности систем. Порядок прове
дения анализа влияния видов отказов», МЭК 61025 «Анализ дерева
неисправностей».
Современные концепции по управлению техническим обслужи
ванием и ремонтом (RСМ) ориентированы на управление надеж
ностью с помощью развитых «ЕАМсистем» (систем комплексного
управления основными фондами), основная цель внедрения ко
торых — автоматизация процесса управления технической эксплу
атацией подвижного состава. Прежде всего обеспечивается инфор
мационная поддержка руководителей и технического персонала,
управляющих эффективной эксплуатацией локомотивного парка,
а также планирующих и организующих выполнение его техничес
кого обслуживания и ремонтов [51].
132

В процессе работы «ЕАМсистема» реализует такие функции,
как ведение базы данных по оборудованию подвижного состава
(электронный паспорт локомотива), контроль технического состо
яния узлов и агрегатов в реальном масштабе времени, автомати
зированное планирование объемов ремонта и постановки на ре
монт, автоматическая калькуляция стоимости плановых работ.
Важнейшим информационным блоком в «ЕАМсистеме» явля
ется блок «Управление техническим состоянием подвижного со
става». Основная задача этого блока — целенаправленное измене
ние показателей технической эксплуатации локомотивов и их уз
лов и агрегатов, направленное на повышение безотказности, дол
говечности и эффективности использования.
Комплекс технологических воздействий при технических обслу
живаниях и текущих ремонтах (операции очистки, крепежа, изме
рение рабочих параметров, регулировка, замена деталей) предназ
начен для восстановления значений функциональных параметров
до уровня номинальных. При этом увеличивается остаточный ре
сурс узлов и агрегатов, повышается вероятность безотказной рабо
ты в период до очередного ремонта. В качестве параметров управ
ления техническим состоянием локомотивов используются: вели
чина межремонтного пробега Lр, допускаемое отклонение от но
минальных значений рабочих параметров ∆d, остаточный ресурс
Lост. Последовательность операций процесса управления техничес
ким состоянием показана схематически на рис. 2.4 [51].
В процессе эксплуатации тягового подвижного состава управле
ние его техническим состоянием осуществляется путем назначения
(планирования сроков) и проведения контрольнодиагностических
операций, служащих для недопущения отказов во время движения
с поездом и прогнозирования ожидаемого времени безотказной ра
боты. Эффективность управления техническим состоянием обору
дования локомотива в значительной степени зависит от точности
измерения диагностических параметров и точности определения и
прогнозирования параметров технического состояния.
Повышение эффективности управления техническим состояни
ем в процессе эксплуатации достигается с помощью следующих
методов:
– оптимизация межремонтных периодов для парка локомоти
вов определенной серии, эксплуатирующихся на конкретном по
133

Рис. 2.4. Схема управления техническим состоянием локомотива

лигоне тяги, характеризующемся определенным сочетанием режи
мов работы и внешних условий;
– дифференцированный учет индивидуальных свойств каждого
локомотива путем регулярного измерения рабочих параметров уз
лов и агрегатов во время контрольнодиагностических операций,
проводимых с упреждением в расчетные моменты;
– обоснование величины ремонтных допусков на рабочие пара
метры в отличие от номинальных полей допусков, установленных
для полностью исправного состояния, в строгой увязке с их дина
микой и сроками проведения диагностирования.
Эффективное управление техническим состоянием локомотивов
должно осуществляться на основе анализа издержек как обобщаю
щего метода. Для этого необходимо использовать математические
модели стоимости жизненного цикла и его отдельных этапов (со
здания и использования), которые представляют собой системное
и структурированное выражение суммарных финансовых затрат на
весь период вплоть до списания и позволяют оптимизировать про
изводственные и эксплуатационные затраты. Естественно, что эти
затраты должны рассматриваться в сопоставлении с величиной
суммарного эффекта от выполненных за этот цикл перевозок.

134

2.4. Моделирование величины затрат на различных
стадиях жизненного цикла локомотивов
Одной из важнейших проблем развития экономики является
повышение качества и конкурентоспособности выпускаемой про
дукции. Наряду с этим ставится задача сокращения затрат в сфере
ее производства и использования. Эти требования в известной мере
противоречивы. Например, чем выше качество создаваемого теп
ловоза нового поколения, тем больше затраты на его проектирова
ние и изготовление, но тем меньше придется затрачивать средств
на ремонт во время его использования. Уменьшение же средств на
создание менее качественного локомотива приведет к увеличению
эксплуатационных и ремонтных затрат при использовании. По
этому правильнее говорить о совместном решении двух указанных
задач путем оптимизации уровня качества продукции. При этом
за критерий его оптимальности можно принять минимум суммар
ных народнохозяйственных издержек за весь жизненный цикл, оп
ределенных выражением (2.4).
Надежность локомотивов является важной составляющей их ка
чества, поэтому названные задачи к этому свойству относятся пол
ностью. Для решения задачи повышения уровня надежности локо
мотивов необходимо разработать математические модели, описы
вающие зависимость затрат на создание (Ес), эксплуатацию (Еэ) и
ремонт (Ер) от показателей надежности узлов, деталей и локомоти
ва в целом. Возможны, по крайней мере, два подхода к решению
задачи: оптимизация уровня надежности локомотива как единого
целого и оптимизация надежности его элементов с последующим
определением структурной надежности всего локомотива.
Ниже рассматриваются возможные варианты моделей зависи
мости затрат по созданию тепловоза от уровня его потенциальной
надежности в целом. В общем случае затраты Ес1 тепловоза повы
шенной надежности Н1, по сравнению с надежностью Н0 базового
образца, могут быть выражены функцией
Ес1 = Е (Ес0, Н0, Н1),

(2.5)

где Ес0 — затраты на создание тепловоза начальной (базовой) надежности;
Н0, Н1 — уровни надежности тепловоза, измеряемые некоторыми количе
ственными показателями, соответственно базового тепловоза и нового тепло
воза повышенной надежности.

135

Функция Е (Ес0, Н0, Н1) должна обладать следующими свойства
ми:
– Е (Ес0, Н0, Н1) > 0, так как затраты на создание являются ве
личиной положительной во всем диапазоне возможных значений
Н0 и Н1;
– Е (Ес0, Н0, Н2) > Е (Ес0, Н0, Н1), если Н2 > Н1, т.е. затраты на
создание тепловоза с более высоким уровнем надежности больше,
чем для тепловоза с низким уровнем надежности;
– lim E (E , H , H ) = ∞, так как в реальных условиях проекти
c0
0
1
H1 →1

рования и производства добиться абсолютной надежности невоз
можно.
С учетом смыслового содержания рассматриваемой зависимос
ти затрат и отмеченных ее свойств, можно предложить следующие
выражения:
а

Е с1 = Е с0

 К 1−К г
 г1 
,
К 
 г0 

(2.6)

а

Е с1 = Е с0

К 
 п0  ,
К 
 п1 

(2.7)

где Кг0, Кг1 — значения коэффициента готовности тепловозов, соответствен
но с базовым и повышенным уровнями надежности;
Кп0, Кп1 — значения коэффициента простоя для тех же уровней надежно
сти.

В выражениях (2.6), (2.7) для оценки уровня надежности взяты
коэффициенты готовности и простоя, т.е. комплексные показате
ли, учитывающие не только безотказность тепловоза, но и его дол
говечность и ремонтопригодность. При этом величины Кг и Кп оп
ределяется выражениями
Кг =

136

ΣТ э

∑Т э + ∑ τ р

= 1 − К п;

(2.8)

Кп = 1 − Кг =

∑ τр
∑Т э + ∑ τ р

,

(2.9)

где ∑Тэ — суммарное время за анализируемый период нахождения тепловоза в
эксплуатации в работоспособном состоянии;
∑τр — суммарное время нахождения тепловоза на всех видах технического
обслуживания и ремонта за тот же период.

Расходы по техническому обслуживанию и ремонту тепловоза за
анализируемый период использования составят
ЕТОР = ЕТО + Ер,

(2.10)

где ЕТО — расходы на техническое обслуживание работоспособного тепловоза
за период t;
Ер — расходы на выполнение ремонтов за этот же период.

Выразим ЕТО и Ер через удельные затраты еТО и ер, приходящи
еся соответственно на единицу времени нахождения тепловоза в
работоспособном и неработоспособном (во время простоя) состоя
ниях:
(2.11)
ЕТО = еТО Кг t = еТО (1 – Кп);
Ер = ер (1 – Кг) t = ерКпt.

(2.12)

Учитывая, что затраты на техническое обслуживание и ремонт
осуществляется в момент t, необходимо их привести к начальному
моменту, т.е. ко времени создания. Применив вместо дискретного
метода приведения путем использования нормативного коэффици
ента Ен метод непрерывного приведения, введем условное «приве
денное» время t′, определяемое по выражению
t′ =

8760
[1 − exp (−εt )],
ln(1 + Е н )

(2.13)

1
ln (1 + Е н );
8760
8760 — число часов в году.

где ε =

Суммарные затраты на этапах создания и использования тепло
воза повышенной надежности с учетом (2.7), (2.11), (2.12), (2.13)
составят

137

а

а

⎛К ⎞
⎛К ⎞
Е 1  Е с0 ⎜ п0 ⎟  Е ТО  Е р  Е с0 ⎜ п0 ⎟  еТО (1  К п1 ) t   ер К п1 t . (2.14)
⎜К ⎟
⎜К ⎟
⎝ п1 ⎠
⎝ п1 ⎠
Для удобства анализа полученной модели затрат на создание,
эксплуатацию и ремонтное обслуживание, т.е. за жизненный цикл
тепловоза повышенной надежности, рассмотрим относительные
затраты
а

ер
⎛К ⎞ e
Е 
 ⎜ п0 ⎟  ТО (1  К п1 )t  
К t 
Е с0 ⎜⎝ К п1 ⎟⎠
Е с0
Е с0 п1
е
1

  кпакр 
,
(1  е )(1  К в )
а
Е 1

(2.15)

кп

где введены следующие коэффициенты:

Кв 1
акр 

К п0
1 Кв

Е с0

(ер  еТО )t 

;  кп 

К п1
К п0

;

; е 

еТО
ер

.

Характер зависимости относи%
тельных суммарных затрат Е по%
казан на графиках рис. 2.5. Из них
видно, что при повышении уров%
ня надежности, т.е. увеличении ко%
эффициента готовности (или
уменьшении коэффициента про%
стоя Кп = 1 – Кг) относительные
суммарные затраты  Е 

Рис. 2.5. График зависимости
относительных затрат

138

Е 1

воз%
Е с0
растают, при этом имеется некото%
рый их минимум, соответствую%
щий оптимальной степени повы%
шения надежности кп.

Второй, поэлементный подход к оценке затрат на техническое со
держание и ремонт можно проиллюстрировать на примере некото
рого элемента (детали, сопряжения) тепловоза, подвергающегося в
процессе эксплуатации износу (старению). В последнее время, в ос
новном в связи с разработкой методов диагностирования, все боль
шее внимание привлекают вопросы, связанные с физикотехничес
кими аспектами, с физикой отказов [52].
Количественные показатели надежности могут быть представле
ны как функции физических характеристик и параметров элемен
тов и скорости их изменения в зависимости от различных факто
ров, действующих при эксплуатации, ремонте и хранении. Так, ве
роятность возникновения отказа вследствие изнашивания или на
рушения механической, электрической, тепловой прочности можно
определить как
t

t

∂Q
∂Q ∂(∆x )
Q(t ) = ∫
dt = ∫
dt ,
∂t
∂(∆x ) ∂t
0
0

(2.16)

∂(∆x )
определяет скорость изменения
∂t
запаса прочности вследствие протекающих в детали физикохимических про

где ∆х определяет запас прочности;

цессов;

∂Q
определяет вероятностные прочностные характеристики мате
∂(∆x )

риалов.

Поэтому основным направлением дальнейшего развития теории
и практики надежности является сочетание статистических, веро
ятностных методов анализа надежности с глубоким проникновени
ем в физическую сущность процессов, протекающих в изделии. Для
этого необходимо установление непосредственной зависимости ос
новных показателей надежности от физических свойств и парамет
ров элементов, от интенсивности эксплуатационных воздействий с
учетом случайного характера величин и процессов. Это является
особенно важным, если иметь в виду, что появление отказов опре
деляется изменением рабочих параметров, и предупредить их воз
можно только средствами диагностирования, т.е. заблаговремен
ным обнаружением приближения параметра к критическому зна
чению. А предупреждение отказа — важный способ уменьшения
затрат на техническое содержание и ремонт тепловозов.
139

Многие детали и узлы тепловозов в эксплуатации, не имея яв
ного отказа, тем не менее характеризуются постепенным измене
нием (точнее — ухудшением) рабочего параметра (например, уве
личением зазора в подшипниках коленчатого вала дизеля) Хр. При
этом такой изнашивающийся узел подвергается восстановлению
(ремонт, регулировка, замена) при выходе этого параметра за гра
ницы ремонтного допуска Хрр или эксплуатационного (браковоч
ного) допуска Хрэ (рис. 2.6). Необходимость такого восстановления
считается параметрическим (постепенным) отказом. Такое измене
ние рабочего параметра Хр во времени является случайным процес
сом f(хр, l). Если в начальный момент (l0 = 0) параметр имеет плот
ность распределения f(хр, l0), математическим ожиданием mx0 и
2
дисперсией  х 0 , то с течением времени эти характеристики изме

няются (см. рис. 2.5). Можно считать, что математическое ожида
ние и среднее квадратическое отклонение изменяются по линейно
му закону
mxl = mx0 + ml;

(2.17)

xl = x0 + l.

(2.18)

Рис. 2.6. Схема развития случайного процесса изменения рабочего параметра Хр

140

Если плановый ремонт данного узла производится через межре
монтный период Lр, то за этот срок рабочий параметр с вероятнос
тью
∞

qм1 =

∫

хрэ

f ( xр , Lр ) dx = 1 − F ( x рэ , Lр )

(2.19)

выйдет за границу хрэ эксплуатационного допуска и будет восста
новлен на неплановом ремонте, что будет сопровождаться затрата
ми См. К этому моменту параметр выйдет за пределы ремонтного
допуска хрр и с вероятностью
x рэ

qп1 =

∫

x рр

f ( x р Lр ) dx

(2.20)

будет восстановлен на плановом ремонте, при этом затраты соста
вят Сп, где Сп < См. Вероятность того, что параметр за ремонтный
цикл останется в поле ремонтного допуска и узел продолжит рабо
ту во втором цикле, будет равна
р1 = 1 – qм1 – qп1.

(2.21)

В рассмотренной схеме предполагается, что попадание парамет
ра в зоны Хр ≥ Хрэ, Хрэ > Хр ≥ Хрр и Хр < Хрр, определяется с по
мощью диагностирования соответствующими техническими сред
ствами.
Проследив несколько ремонтных циклов за изменением вероят
ностей qмi и qпi, можно найти стационарные (полные) вероятности
того, что параметр будет восстановлен на неплановом ремонте (qм)
и на плановом ремонте — (qп). При этом должно соблюдаться соот
ношение qм + qп = 1.
Зная вероятности qм и qп, можно определить математическое
ожидание величины суммарных затрат на плановые и неплановые
восстановления параметра за ремонтный цикл
Еz(Lр) = Смqм + Cпqп = Cм(qм + γcqп),
где γ c =

Cп
Cм

(2.22)

< 1, так как всегда См > Cп.

141

Поскольку вероятности qм и qп зависят от величины межре
монтного пробега Lр, суммарные затраты также будут являться его
функцией. Изменяя Lр, можно найти такую его оптимальную ве
личину Lро, при которой затраты Е∑(L) будут минимальными. Для
удобства анализа суммарных затрат рассмотрим относительные (в
долях от Cм) удельные затраты, приходящиеся на средний пробег
до восстановления параметра:
U (Lр ) = Е Σ (Lр )

Lm
Cм L

(2.23)

,

где Lm — средняя длительность работы узла до выхода параметра за границу
браковочного допуска Хэ (до параметрического отказа) при условии отсутствия
плановых ремонтов (рис. 2.6);
L — средняя длительность работы узла до восстановления параметра на
всех видах ремонта.

Величина Lm определяется из выражения
Lm =

х рэ − mx 0
αm

(2.24)

,

где mx0 — среднее значение пара
метра в начальный момент li = 0;
αm — скорость нарастания пара
метра (например, зазора в подшип
нике).

Учитывая (2.22), (2.23),
окончательно получим

U (Lр ) =

Рис. 2.7. Графики зависимости затрат
U(Lр)

142

Lm

(

)

1 − 1 − γ q  . (2.25)
c п 
L 

Анализ полученной модели
(2.25) суммарных затрат на
восстановление рабочего па
раметра проведем на следую
щем примере. Масляный за
зор в коренном подшипнике
коленчатого вала дизеля в на
чальный момент времени име

ет нормальное распределение с числовыми характеристиками mx0 =
= 0,18 мм, σх0 = 0,025 мм; интенсивности изменения этих харак
теристик αm = 0,04⋅10–5 мм/км, ασ = 0,005⋅10–5 мм/км; ремонт
ный допуск хрр = 0,3 мм, браковочный допуск хрэ = 0,38 мм. При
этих данных построены графики зависимости (2.25) для различ
ных значений γс (рис. 2.7).
Рассмотренные варианты моделей затрат могут быть использо
ваны при решении вопросов управления уровнем надежности ло
комотивов на различных стадиях жизненного цикла, а также управ
ления их техническим состоянием при эксплуатации, техническом
обслуживании и ремонте, в том числе при оптимизации парамет
ров системы ТОР.

2.5. Особенности локомотива как объекта
диагностирования
Тепловоз является сложной теплоэлектромеханической системой,
выполняющей свое практическое назначение при больших дина
мических нагрузках, высоких скоростях, значительных затратах на
эксплуатацию и ремонт. Последствия от отказа тепловоза в про
цессе эксплуатации могут оцениваться миллионами рублей. Для
обеспечения надежной работы тепловоза на интервале жизненного
цикла его регулярно включают в систему технического обслужива
ния и ремонта. Для достижения поставленной задачи параметры
системы ТОР должны соответствовать текущему уровню надежнос
ти работы тепловоза. Параметры ТОР формируются на основе
объективной информации о техническом состоянии тепловоза с
учетом особенностей его эксплуатации и качества ремонта. Для это
го тепловоз включают в систему технического диагностирования
(СТД). Развитие и совершенствование СТД позволяет не только
повысить надежность работы тепловозов, но и снизить затраты на
его эксплуатацию и ремонт.
В качестве основных причин форсирования решения проблемы
развития технической диагностики тепловозов следует отметить:
– интенсивное старение тепловозного парка, что является од
ним из основных факторов снижения надежности его работы;
– рост стоимости тепловозов и увеличение затрат на их эксплуа
тацию и ремонт;
143

– заинтересованность ОАО «РЖД» в создании эффективной СТД
локомотивов (тепловозов);
– накопление опыта создания и применения средств техничес
кого диагностирования систем и узлов тепловозов, что позволяет
перейти на следующий этап развития — создание автоматизирован
ной СТД;
– разработка теоретической базы диагностики учеными и спе
циалистами в различных отраслях техники;
– новыми открытиями в области фундаментальных исследова
ний физических процессов.
К настоящему моменту сложилась определенная структура теп
ловозного парка, характеризуемая большим разнообразием серий
тепловозов (табл. 2.4).
Таблица 2.4
Серии тепловозов, эксплуатируемых в России

При организации СТД тепловоза следует учитывать ряд его осо
бенностей как объекта диагностирования:
– различия в конструкции узлов и систем тепловозов разных се
рий, что приводит к необходимости индивидуального подхода к
144

разработке алгоритмов и использования средств диагностирования
с различными функциональными возможностями;
– различные физические принципы, используемые при работе
тепловозных систем (механические, электрические, тепловые), что
требует применения комплекса методов диагностирования;
– разброс уровня надежности тепловозных систем, в связи с чем
возникает необходимость расчета периодичности диагностирования
по каждому узлу и системе индивидуально, что затрудняет органи
зацию диагностического процесса;
– наличие дискретных и непрерывных систем, что приводит к
необходимости использования различных математических методов
при разработке диагностических моделей;
– высокая степень автоматизации процессов функционирования
тепловозных систем, что требует автоматизации и процесса диаг
ностирования;
– различные функциональные состояния тепловоза (эксплуата
ция, ремонт, ожидание ремонта), в каждом случае необходимо ре
шать задачу выбора средств диагностирования, уровня решения за
дачи и глубины диагностирования;
– сложная иерархическая структура тепловоза, что обусловлива
ет применение принципа его декомпозиции при разработке диа
гностической модели;
– низкий уровень контролепригодности;
– практически полное отсутствие встроенных устройств борто
вой диагностики.
При организации диагностического процесса тепловоза боль
шую роль играют принципы, положенные в основу его декомпо
зиции как объекта диагностирования. Для решения диагностичес
ких задач декомпозиция тепловоза осуществляется по блочнофун
кциональному принципу. Блочнофункциональная декомпозиция
тепловоза производится по вертикали и горизонтали (рис. 2.8).
Вертикальная декомпозиция позволяет выстроить иерархию свя
зей составляющих компонентов, а значит, и иерархию диагности
ческих цепей и алгоритмов. Для тепловоза выделено пять уров
ней: секционный, сборочных единиц, системный, подсистемный
и элементный. Горизонтальная декомпозиция выстраивается по
основному признаку физического процесса или принципу техни
145

146

Рис. 2.8. Схема блочнофункциональной декомпозиции тепловоза

ческого исполнения. Анализ декомпозиции в горизонтальной
плоскости позволяет отдать предпочтение доминирующему физи
ческому методу диагностирования.
Таким образом, организация диагностического процесса тепло
воза требует решения комплекса задач, обусловленных как слож
ностью технического объекта, так и возможными существенными
потерями при неэффективном применении диагностических средств
и методов.

147

Глава 3. ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМ,
СРЕДСТВ И МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
3.1. Классификация систем,
методов и средств диагностирования
Под системой технического диагностирования (контроля) в со
ответствии с ГОСТ 2091189 понимается совокупность средств,
объекта и исполнителей, необходимая для проведения диагности
рования (контроля) по правилам, установленным технической до
кументацией. Системы технического диагностирования могут быть
классифицированы по ряду признаков, определяющих их назначе
ние, задачи, структуру и состав технических средств.
По степени охвата объекта диагностирования системы диагнос
тирования могут быть локальными и общими.
По характеру взаимодействия средств диагностирования с объек
том диагностирования — системы тестового и рабочего диагности
рования.
По используемым средствам можно разделить на: системы с уни
версальными средствами диагностирования и контроля объектов
различных типов; системы со специализированными средствами
(стенды, имитаторы и др.); системы с внешними средствами, рас
положенными на постах диагностирования, а связь с объектом диа
гностирования осуществляется через стыковочные узлы; системы
со встроенными средствами диагностирования, составляющими
единое целое с объектом диагностирования и располагающими не
посредственно на объекте диагностирования.
По степени автоматизации можно разделить на:
– автоматические, в которых обработка и получение информа
ции осуществляются без участия человека по заранее разработан
ной программе;

148

– автоматизированные, в которых получение и обработка инфор
мации осуществляются с применением средств автоматизации и
участием человека;
– ручные (неавтоматизированные), в которых получение и об
работка информации осуществляются человекомоператором.
В системах тестового диагностирования (рис. 3.1, а) сигнал про
верки формируется в блоках системы и подается на входы объекта
диагностирования (ОД). Ответный сигнал снимается с основных или
дополнительных выходов ОД, анализируется системой диагности

Рис. 3.1. Системы тестового (а) и рабочего (б) диагностирования

149

рования (СД) и выдается как результат диагностирования. В систе
мах рабочего диагностирования (рис. 3.1, б) ОД функционирует в
рабочем (штатном) режиме. Информация системой диагностиро
вания снимается с основных или дополнительных (специально пред
назначенных для диагностирования) выходов. Полученный сигнал
анализируется и выдается в качестве результата диагностирования.
Аналогично классифицируются средства технического диагнос
тирования (рис. 3.2).
Для диагностирования технического состояния локомотивов, их
систем, узлов и агрегатов используются различные методы. Много
образие методов диагностирования обусловлено в основном двумя
причинами: сложностью систем диагностирования, определяемой
сложностью структуры локомотивов, и разнообразием задач техни
ческого диагностирования (рис. 3.3).

Рис. 3.2. Классификация средств диагностирования

150

Рис. 3.3. Структурная схема классификации методов диагностирования

151

3.2. Методы неразрушающего контроля
На железнодорожном транспорте и, в частности, в локомотив
ном хозяйстве для изготовления элементов и деталей используются
самые разнообразные конструкционные материалы. При этом де
тали могут быть изготовлены из металлов и неметаллов, литые, ко
ваные, с механической и без механической обработки, подвергну
ты термической и другим видам обработки. Важность выполняемых
функций, высокая стоимость последствий отказов большинства де
талей определяет необходимость непрерывного контроля их техни
ческого состояния для выявления поверхностных и внутренних де
фектов. На железнодорожном транспорте создана система неразру
шающего контроля (НК), основной задачей которой является не
допущение эксплуатации деталей с наличием дефектов.
Под дефектом в дефектоскопии обычно понимают нарушение
сплошности материала. Происхождение дефектов может наблюдать
ся на стадии производства деталей (металлургические — при отлив
ке, технологические — при сварочных работах, механической и тер
мической обработке) и в эксплуатации (усталостные трещины, из
нос, коррозия и т.д.).
К металлургическим (литейным) дефектам относятся:
– газовые пузыри или раковины, образующиеся вследствие выде
ления газов в процессе кристаллизации под коркой или произволь
но по всему объему слитков;
– горячие трещины — хорошо видимые разрывы поверхности от
ливки по границам кристаллов с неровной окисленной поверхнос
тью, образующиеся вследствие усадки при затвердевании расплава
в формах;
– холодные трещины — тонкие разрывы поверхности отливки с
чистой, светлой, с цветами побежалости зернистой поверхностью,
образующиеся изза внутренних напряжений в острых углах отливок;
– металлические включения — инородные металлические тела в
металле отливки;
– неметаллические включения — попавшие в металл шлак, огне
упорный графит, песок и расположенные в верхней части отливки
или образующиеся внутри металла частицы окислов, силикатов,
сульфидов;
– рыхлость, пористость — местное скопление мелких газовых
или усадочных раковин при крупнозернистой структуре металла;
152

– утяжины — углубления с пологими краями на массивной час
ти отливки, образовавшиеся вследствие усадки металла при затвер
девании;
– песчаные раковины — полости в отливке, частично или полно
стью заполненные формовочным материалом;
– шлаковые раковины — полости, заполненные шлаком;
– усадочные раковины — открытые или закрытые полости произ
вольной формы с грубой шероховатой поверхностью в верхней час
ти слитка, образующиеся при неравномерной усадке металла в про
цессе застывания;
– плены — сквозные или поверхностные трещины в теле отлив
ки, образованные неслившимися потоками преждевременно застыв
шего металла;
– термические трещины — хорошо видимые глубокие разрывы
поверхности, образующиеся при высокой температуре после тер
мообработки отливок вследствие температурных растягивающих
напряжений.
В технологические дефекты входят:
– флокены — волосные трещины с кристаллическим строени
ем поверхности стенок внутри толстостенного проката из сталей.
О происхождении флокенов существует несколько гипотез. Одна
из них объясняет их происхождение двумя причинами: действием
высокого давления водорода, выделяющегося из стали при ее ох
лаждении и действием значительных внутренних напряжений, обус
ловленных неравномерностью фазовых превращений в различных
объемах стали в связи с дендритной неоднородностью;
– волосовины — мелкие внутренние и поверхностные трещины,
образовавшиеся из газовых пузырей или неметаллических включе
ний при прокате и направленные вдоль волокон металла;
– закалочные трещины — разрывы металла, возникающие при
охлаждении деталей сложной формы в процессе закалки изза вы
соких внутренних напряжений;
– надрывы — неглубокие трещины, возникающие при холодной
деформации деталей.
К эксплуатационным дефектам относятся:
– усталостные трещины — трещины, возникающие под воздей
ствием переменных напряжений по галтелям, в местах резких пе
реходов сечений и других концентраторов напряжений;
153

– коррозионные повреждения — повреждения, возникающие в
результате окислительных процессов;
– трещины при перегрузке — надрывы в поверхностном слое де
тали при нагрузках, превышающих предел прочности детали;
– механические повреждения — забоины, риски, вмятины, наклеп,
ползуны.

Классификация и характеристики методов неразрушающего
контроля
В соответствии с ГОСТ 1835379 [34] виды и методы неразруша
ющего контроля могут быть представлены в виде схемы (рис. 3.4).
Акустические методы НК основаны на свойстве акустических
колебаний проникать вглубь материалов и отражаться от раздела
двух сред. Методы неразрушающего акустического контроля ши
роко применяют благодаря ряду их преимуществ: волны легко вво
дятся в объект контроля, хорошо распространяются в металлах и
других материалах, эффективны при выявлении дефектов с малым
раскрытием, чувствительны к изменению структуры и физикоме
ханических свойств материалов, не представляют опасности для
персонала. Использование различных типов волн (продольных, по
перечных, поверхностных, нормальных и др.) расширяет возмож
ности акустических методов неразрушающего контроля. На желез
нодорожном транспорте порядка 35—40 % деталей подвергаются
акустическим методам контроля.
Упругие колебания в диапазоне частот от 20 кГц до 1 ГГц назы
ваются ультразвуковыми (УЗ). Ухо человека различает колебания в
диапазоне от 16 до 20 000 Гц — это звуковые колебания. Колебания
частотой свыше 1 ГГЦ называют гиперзвуковыми. В акустической
диагностике наиболее часто используют колебания в диапазоне ча
стот 0,5—10 МГц [35].
В акустике различают несколько типов волн. В зависимости от
направления перемещения частиц различают продольные, попереч'
ные, поверхностные и пластиночные волны. Если перемещение час
тиц происходит вдоль распространения волны, то такие волны на
зывают продольными (рис. 3.5, а). Скорость распространения таких
волн

154

Рис. 3.4. Классификация видов и методов неразрушающего контроля

155

Cl =

E
µ
,
ρ (1 + µ)(1 − 2µ)

где E — модуль нормальной упругости, Па;
ρ — плотность среды, кг/м3;
µ — коэффициент Пуассона.

Если частицы среды перемещаются перпендикулярно направ
лению распространения волны, то волны называют поперечными

Рис. 3.5. Типы волн

156

(рис. 3.5, б). Скорость распространения поперечных волн прибли
зительно можно определить из соотношения
Ct = 0,55Cl .

Поверхностные волны (волны Релея) распространяются вдоль сво
бодной поверхности тела и являются комбинацией продольных и
поперечных волн (рис. 3.5, в). Глубина распространения этих волн
в теле примерно равна длине волны. Скорость распространения
поверхностных волн равна
CR = 0,9Ct ,
где Ct — скорость распространения поперечных волн в среде с плотностью ρ.

Пластиночные волны (волны Лэмбла) распространяются в тонких
листах, толщина которых соизмерима с длиной волны (рис. 3.5, г).
В табл. 3.1 приведены характеристики распространения продоль
ных и поперечных волн в некоторых материалах. Параметр Z = ρC —
удельное акустическое сопротивление, кг/(м2⋅с).
Методы акустического контроля делятся на две большие груп
пы: пассивные, базирующиеся только на приеме акустических волн
и колебаний, и активные, использующие и излучение, и прием.
Таблица 3.1
Акустические характеристики материалов

К пассивным методам относится метод акустической эмиссии,
основанный на регистрации акустических волн, излучаемых дефек
том при нагружении. Образование акустических волн происходит в
результате трения стенок трещины между собой и изменения крис
таллической структуры материала. Иллюстрацией такого процесса
является похрустывание деревянной палки при ее изгибе еще до
157

наступления излома. Метод применим для ответственных высоко
нагруженных деталей и конструкций. Для его реализации требуется
высокочувствительная аппаратура, работающая в диапазоне частот
от килогерц до мегагерц.
К активным методам ультразвукового контроля относятся: эхо
импульсный, теневой, зеркальнотеневой, эхозеркальный, эхо
теневой, резонансный, метод акустического импеданса, велосимет
рический, метод собственных колебаний.
Эхо'импульсный метод осно
ван на свойстве ультразвуковых
волн отражаться от дефектов (не
сплошностей) и донной поверх
ности детали (рис. 3.6, а). Ампли
туда отраженного сигнала про
порциональна площади дефекта.
Этот метод широко используют
для контроля сварных соедине
ний. Чувствительность эхомето
да достигает значений 0,5 мм2 на
глубине 100 мм. К достоинствам
этого метода следует отнести воз
можность одностороннего досту
па к детали, высокая чувстви
тельность при выявлении внут
ренних несплошностей в конт
ролируемых объектах, высокая
точность определения координат
дефектов. К недостаткам — низ
кая помехоустойчивость и зави
симость амплитуды сигнала от
ориентации дефекта.
Теневой метод основан на из
менении параметров УЗ сигнала
при попадании на дефект (рис.
Рис. 3.6. Методы ультразвуковой
3.6, б). Амплитудно'теневой —
дефектоскопии:
уменьшение
амплитуды волны,
а — эхоимпульсный; б — теневой;
временно'теневой — регистрация
в — зеркальнотеневой; г — эхозер
запаздывания импульса, вызван
кальный; д — эхотеневой
158

ное увеличением его пути при огибании дефекта. При реализации
этого метода излучатель (И) и приемник (П) располагают с двух сто
рон детали.
При зеркально'теневом методе регистрируется изменение пара
метров УЗ сигнала, отраженного от донной поверхности детали
(рис. 3.6, в). Метод не требует двухстороннего доступа к детали. Те
невой и зеркальнотеневой методы обычно используют для дефек
тоскопии деталей с грубо обработанной поверхностью.
Эхо'зеркальный метод основан на сравнении амплитуд зеркаль
ноотраженного и обратноотраженного сигналов от дефекта
(рис. 3.6, г).
В эхо'теневом методе о наличии дефекта судят одновременно по
эхоимпульсу от дефекта и по ослаблению отраженного донного
сигнала (рис. 3.6, д).
Резонансный метод может быть использован для определения
толщины детали, имеющей односторонний доступ. В проверяемую
деталь с помощью модулятора, генератора и искателя вводят ульт
развуковые колебания различной частоты. Изменяя частоту, на
ходят ту частоту, при которой по толщине детали укладывается це
лое число волн. При этих условиях происходит усиление колеба
тельного процесса, что и отмечается регистратором резонансов. По
резонансной частоте определяют толщину изделия. Исчезновение
резонансов или уменьшение в одном из контролируемых мест из
меренной толщины изделия указывает на наличие дефектов.
Метод акустического импеданса основан на регистрации пара
метров УЗ колебаний стержня, опирающегося на поверхность дета
ли. Акустический импеданс — комплексное сопротивление, которое
вводится при рассмотрении колебаний акустических систем и пред
ставляет собой отношение комплексных амплитуд звукового дав
ления и объемной колебательной скорости частиц среды. Подпо
верхностные дефекты изменяют акустический импеданс данного
участка детали, что приводит к изменению амплитуды и частоты
собственных колебаний стержня.
Велосиметрический метод основан на регистрации изменения
скорости УЗ колебаний. Изменение скорости объясняется наличи
ем расслоений или изменением толщины слоя.
Метод собственных колебаний основан на анализе частот акусти
ческих колебаний деталей, вибрирующих на собственной частоте.
159

На железнодорожном транспорте, например, этот метод применя
ют при контроле бандажей колесных пар локомотивов, а также букс
локомотивов и вагонов, простукивая их молотком при осмотре.
К магнитным методам неразрушающего контроля относятся: маг
нитопорошковый, магнитографический, индукционный, феррозон
довый, метод эффекта Холла, пандеромоторный, магниторезистор
ный. Эти методы применяют для выявления дефектов в деталях,
изготовленных из ферромагнитных материалов. На железнодорож
ном транспорте магнитному контролю подвергают следующие
объекты подвижного состава: детали ударнотягового и тормозного
оборудования; рамы тележек различных моделей в сборе и по эле
ментам; оси колесных пар вагонов и локомотивов всех типов в сбо
ре; ободы, гребни и спицы локомотивных колес; свободные кольца
буксовых подшипников, а также внутренние кольца, напрессован
ные на шейки оси; венцы зубчатых колес и шестерен тягового ре
дуктора; валы генераторов, тяговых двигателей и шестерен в сборе;
упорные кольца; стопорные планки; пружины; шкворни; болты и
др. Из названных методов для дефектоскопии применяются: маг
нитопорошковый (МПК) — в вагонном и локомотивном хозяйствах,
феррозондовый (ФЗК) — в вагонном и путевом, магнитоиндукци
онный (МИК) — только в путевом.
Магнитный неразрушающий контроль основан на выявлении
магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами, или на
определении и оценке магнитных свойств объекта контроля.
Если деталь со свойствами ферромагнетика поместить в равно
мерно распределенное магнитное поле с напряженностью Н0, то он
намагнитится и в соответствии со своей кривой намагничивания
приобретет магнитную индукцию В0, линии которой будут равно
мерно распределены внутри детали. Так как магнитная проницае
мость детали больше, чем магнитная проницаемость внешней сре
ды (µ1 > µ0), а, следовательно, внешняя среда обладает большим
магнитным сопротивлением, то выхода магнитных линий за поверх
ность детали наблюдаться не будет (рис 3.7). Если на поверхности
детали имеется дефект, например трещина, ориентированная пер
пендикулярно направлению поля В0, то силовые линии магнитного
поля будут перераспределены. При проходе через зону с большим
магнитным сопротивлением (дефект) плотность магнитных линий
уменьшится, а под дефектом будет наблюдаться уплотнение магнит
160

Рис. 3.7. Ферромагнетик в равномерном магнитном поле:
а — бездефектный образец; б — кривая намагничивания

ных линий (рис. 3.8). Часть магнитных линий преодолеет дефект
снаружи. В магнитостатике считается, что при выходе магнитной
линии из среды с меньшим магнитным сопротивлением в среду с
большим магнитным сопротивлением на разделе сред образуется
положительный заряд, а из среды с большим магнитным сопротив
лением в среду с меньшим магнитным сопротивлением — отрица
тельный. Это явление называется магнитной поляризацией стенок
дефекта. Над дефектом формируется суммарное поле рассеяния де
фекта — локальное магнитное поле, возникающее в зоне дефекта
вследствие поляризации его границ (ГОСТ 2445080). Регистрация
параметров таких полей и используется в магнитных методах конт
роля для определения наличия дефектов в деталях.
Магнитопорошковый ме'
тод основан на выявлении
магнитных полей рассеяния,
возникающих над дефектом в
детали после ее намагничива
ния, с использованием фер
ромагнитного порошка. Маг
нитопорошковый контроль
включает четыре этапа: на
магничивание детали, нане
сение магнитного порошка,
визуальный контроль, раз
Рис. 3.8. Перераспределение силовых
магничивание детали.
линий магнитного поля
161

Основу магнитного порошка составляют частицы окиси Fe2O3
или закисьокиси Fe3O4 железа. Для контроля деталей применяют
порошки марок ПЖВ1—ПЖВ5, магнитные суспензии КМС «ДИ
АГМА» и другие, допущенные к применению в локомотивном хо
зяйстве. По химическому составу порошки отличаются различным
процентным соотношением примесей углерода, кремния, марган
ца, серы, фосфора и кислорода. Размер частиц основной массы по
рошка не должен превышать 30 мкм, отдельные частицы могут до
стигать размеры от 70 до 450 мкм. В различных марках порошка
процентное соотношение частиц разных фракций отличается. Цвет
порошка выбирается таким, чтобы лучше контрастировал с поверх
ностью детали. Перед проведением операций контроля качество
магнитных порошков и суспензий проверяют с помощью устройств
МФ10СП (рис. 3.9) или МОН721 (рис. 3.10).
Перед проведением магнитопорошкового контроля деталь очи
щают от загрязнений, лакокрасочных покрытий и ржавчины, кото

Рис. 3.9. Прибор МФ10СП:
1 — электромагнит; 2 — подвижный окуляр; 3 — миллиамперметр; 4 — выклю
чатель «Сеть»; 5 — выключатель «Освещение»; 6 — ручки потенциометров «Гру
бо», «Точно» для регулировки намагничивающего тока; 7 — направляющие для
установки электромагнита; 8 — ванночка для сбора суспензии (в комплект по
ставки не входит)

162

рые удаляют с помощью ме
таллических и волосяных ще
ток, деревянных и пластмас
совых скребков и растворите
лей. После очистки деталь ос
матривают для выявления
явно выраженных дефектов
(глубокие риски, задиры, за
боины и т.п.).
Намагничивание детали
осуществляется либо способом
приложенного поля (СПП),
Рис. 3.10. Устройство МОН721:
либо способом остаточной на
1, 9 — приемный и загрузочный бункеры;
магниченности (СОН). В зави
2 — магнитопровод; 3 — прижимы; 4 —
симости от геометрической стандартные образцы; 5 — гнездо для ус
формы, размеров детали, ма тановки феррозондового преобразователя
териала, типа и направления измерителя напряженности магнитного
дефекта применяют следую поля; 6 — линза; 7 — рукоятка для враще
щие виды намагничивания: ния блока постоянных магнитов; 8 — пре
полюсный (продольный, по образователь с чувствительными элемен
тами Холла магнитометра или миллитес
перечный, нормальный), цир ламетра; 10 — опоры; 11 — маховик для
кулярный (бесполюсный),
фиксации блока постоянных магнитов
комбинированный и во вра
щающемся магнитном поле (рис. 3.11). Намагничивание во враща
ющемся магнитном поле используют при контроле СОН объектов
с большим размагничивающим фактором, с неэлектропроводящи
ми покрытиями. При одновременном наложении на ферромагне
тик двух магнитных полей различной направленности в нем обра
зуется векторное поле, величина и направление которого опреде
лится сложением составляющих. Если одна или обе составляющие
поля переменны, то результирующее векторное поле будет изменять
ся по углу, величине и направлению и при известном соотношении
фаз может формировать вращающееся поле.
Контроль способом приложенного поля проводят в следующих
случаях:
– деталь выполнена из магнитномягкого материала, имеющего
коэрцитивную силу Нс < 9,5 А/см (12 Э; 0,95 кА/м), например, из
Ст. 3, Ст. 10, Ст. 20 и др.;
163

Рис. 3.11. Схемы видов намагничивания:
а, б — полюсное; в, г — циркулярное; д, е — комбинированное

– деталь имеет сложную форму или малое удлинение (отноше
ние длины детали к ее диаметру), поэтому ее не удается намагни
тить до достаточно высокой остаточной намагниченности;
– деталь контролируют с целью обнаружения подповерхностных
дефектов на глубине более 0,01 мм, или дефектов, скрытых под сло
ем немагнитного покрытия (слоя хрома, цинка, краски толщиной
более 0,03—0,05 мм);
– деталь имеет большой диаметр, а располагаемая мощность де
фектоскопа недостаточна для получения требуемой силы тока для
намагничивания такой детали;
– если контролируют небольшие участки крупногабаритной де
тали с помощью переносных электромагнитов или с применением
дефектоскопов на постоянных магнитах;
164

– если контролируют детали с использованием электромагни
тов постоянного тока.
При контроле деталей в приложенном магнитном поле можно
достичь более высокой чувствительности метода по сравнению со
способом остаточной намагниченности. В приложенном магнитном
поле требуемую величину намагниченности детали можно получить
путем задания определенной величины тока в намагничивающей
обмотке дефектоскопа. При этом приложенное магнитное поле
может быть как постоянным, так и переменным в зависимости от
того, какой ток целесообразнее пропускать по обмотке намагничи
вающего устройства.
При контроле деталей этим способом с использованием пере
менного тока имеет место так называемый поверхностный эффект,
т.е. стальные детали получают повышенную намагниченность в по
верхностном слое металла. Наличие этого эффекта повышает воз
можность обнаружения трещин, зарождающихся на поверхности
металла. К дефектам такого вида относятся наиболее опасные по
перечные усталостные трещины.
После намагничивания на поверхность детали «сухим» или «мок
рым» способом наносится индикаторный порошок. При «сухом»
методе применяют более крупные частицы, так как они меньше за
держиваются неровностями поверхности. Поэтому применение су
хого порошка предпочтительнее для деталей литых или грубообра
ботанных. «Мокрый» метод эффективен для деталей с чисто обрабо
танной поверхностью. «Сухой» способ нанесения магнитного инди
катора не применяют при контроле колец подшипников, шеек оси
колесной пары, средней части оси с применением седлообразных
намагничивающих устройств (СНУ), шеек валов и других деталей
круглого сечения диаметром менее 60 мм, а также деталей с резьбой.
Магнитный порошок наносится с помощью пульверизатора, ре
зиновой груши и сита тонким слоем зигзагообразно вдоль детали с
шагом не более 30 мм. Сам распылитель располагают на расстоя
нии 30—50 мм от поверхности. Скопление порошка вблизи намаг
ничивающего устройства следует сдувать с помощью резиновой гру
ши, а на участки, оказавшиеся без порошка, следует подсыпать по
рошок повторно.
Магнитную суспензию наносят путем полива слабой струей, не
смывающей осевшие над дефектами магнитные частицы, погруже
165

ния детали в емкость с суспензией, распыления из пульверизатора.
При этом необходимо обеспечить небольшой наклон контролируе
мой поверхности для равномерного стекания суспензии. Перед на
несением суспензии ее тщательно перемешивают лопаткой из не
магнитного материала так, чтобы она равномерно распределилась
по всему объему дисперсионной среды.
При осмотре детали обращают внимание на каждое скопление
порошка. Характер рисунка, образуемого индикаторным порошком,
зависит от параметров дефекта. При необходимости (нечетком про
явлении рисунка) контроль повторяют. Следует помнить, что обра
зование индикаторного рисунка не всегда свидетельствует о нали
чии дефекта. Иногда скопление порошка возможно изза наличия
так называемых ложных дефектов — структурной неоднородности
металла на границах участков, грубой обработки поверхности, кон
центрации остаточных внутренних напряжений и др.
После проведения магнитопорошкового контроля деталь необ
ходимо размагнитить. Размагничивание детали возможно двумя
способами. Первый — доведение температуры детали до точки Кюри
(применяется крайне редко). Второй — размагничивание перемен
ным магнитным полем с амплитудой, равномерно изменяющейся
от максимального значения до нуля (рис. 3.12).
Индукционный метод основан на эффекте наведения ЭДС в
приемной катушке индуктивности при ее перемещении относи
тельно намагниченной детали. Величина наводимой ЭДС зави
сит от скорости перемещения катушки и характеристик магнит

Рис. 3.12. Размагничивание детали переменным магнитным полем:
а — изменение напряженности магнитного поля; б — частные петли гистерезиса

166

ных полей дефектов. Метод используется для скоростного маг
нитного контроля рельсов.
Феррозондовый метод основан на преобразовании градиента или
напряженности магнитного поля в электрический сигнал с помо
щью феррозондов. Феррозондами называют чувствительные к воз
действию внешних магнитных полей устройства, содержащие фер
ромагнитные сердечники и охватывающие их обмотки; в одну из
них подают переменный ток, а с другой снимают ЭДС, по кото
рой судят об измеряемом значении поля (рис. 3.13). В феррозонде
внешнее поле напряженности Н0 непосредственно воздействует
на ферромагнитные сердечники. На эти же сердечники действу
ет и переменное поле Н1(t), создаваемое током i1(t). Преобразова
ние напряженностей Н0 и Н1(t) в переменную магнитную индук
цию В(t) = В[Н1(t), Н0], а затем в ЭДС е(t) = е[В(t)], появляющую
ся в выходной (измерительной) обмотке, осуществляется так же,
как в магнитном усилителе.
Феррозонды отличаются от магнитных усилителей тем, что не
содержат входной обмотки. Вместо нее в феррозондах используют
ся ферромагнитные сердечники такой формы, чтобы они могли
намагничиваться в измеряемом поле, а измерительная обмотка
расположена на этих сердечниках так, чтобы наводимая в ней ЭДС
позволяла судить о намагниченности, являющейся функцией на
пряженности H0 измеряемого поля. В настоящее время фирмой
«Микроакустика» изготавливаются следующие феррозондовые при
боры, используемые при дефектоскопии на железнодорожном
транспорте: измеритель напряженности магнитного поля ГФ105;

Рис. 3.13. Устройство магнитного усилителя (а) и феррозонда (б)

167

прибор магнитоизмерительный феррозондовый комбинированный
Ф205.03; дефектоскопградиентометр феррозондовый ДФ103; де
фектоскопградиентометр феррозондовый ДФ201.1. Прибор позво
ляет выявлять поверхностные дефекты с минимальными размера
ми раскрытия 0,002 мм при длине 2 мм и подповерхностные с ми
нимальными размерами раскрытия 0,3 мм, глубиной 0,5 мм.
Контроль деталей феррозондовым методом осуществляется в та
кой последовательности.
1. Производят намагничивание изделия (или его участка) намаг
ничивающим устройством в направлении, перпендикулярном наи
более вероятному расположению дефектов. Для намагничивания
используют стационарные или носимые намагничивающие устрой
ства, создающие на поверхности контролируемого изделия в зоне
контроля тангенциальную составляющую напряженности магнит
ного поля, равную аналогичной составляющей на поверхности стан
дартного образца. Допускается использовать при этом как способ
приложенного поля, так и способ остаточной намагниченности.
2. Сканируют феррозондовым преобразователем зону контроля
объекта параллельными проходами с шагом 10—20 мм. Феррозон
довый преобразователь устанавливают в зоне контроля так, чтобы
его продольная ось была направлена вдоль силовых линий намаг
ничивающего поля на прямых участках и по касательной к поверх
ности — в местах закруглений. Преобразователь перемещают со
скоростью не более 8 см/с, с легким нажимом, без перекосов, вра
щений и отрывов от поверхности.
3. Если над какойлибо точкой или участком контролируемой де
тали сработали звуковой и световой индикаторы дефекта и показа
ния стрелочного прибора превысили 25 % шкалы (стрелка перешла в
красный сектор), устанавливают причину появления сигнала.
4. Для этого повторно проводят датчиком по месту появления
сигнала, находят точку максимума и отмечают ее. Затем выполня
ют преобразователем несколько параллельных проходов слева и
справа от отметки, снова фиксируя точки максимумов. Если отмет
ки выстраиваются в линию, она обрисовывает конфигурацию не
видимого дефекта и определяет его протяженность.
5. Исключают из рассмотрения показания индикаторов, которые
вызваны неоднородностью поля, обусловленной конструкцией из
делия. Такие сигналы следует запомнить, так как они повторяются
у однотипных изделий.
168

6. Для измерения величины градиента напряженности магнит
ного поля рассеяния дефекта устанавливают преобразователь в точ
ку, где наблюдается максимальное показание стрелочного прибора.
В настоящее время на железной дороге феррозондовым методом
контролируются корпуса автосцепок и тяговых хомутов.
Вихретоковый метод неразрушающего контроля основан на ана
лизе взаимодействия внешнего магнитного поля с электромагнит
ным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля этим
полем (ГОСТ 2428980).
Работа вихретоковых дефектоскопов основана на возбуждении в
контролируемой детали вихревых токов. Эти токи создаются с по
мощью вихретоковых преобразователей (ВП), представляющих со
бой катушку (несколько катушек) индуктивности, подключенную
к источнику переменного тока. Ток создает вокруг катушки пере
менное магнитное поле, которое наводит в ней ЭДС самоиндукции.
При размещении ВП на поверхности детали указанное поле воз
буждает в электропроводящем поверхностном слое вихревые токи,
которые создают собственное поле, наводящее в катушке вихрето
ковую (стороннюю) ЭДС. Складываясь, обе ЭДС формируют на
катушке результирующее напряжение. Так как на дефектной и без
дефектной поверхностях вихревые токи имеют разную величину, по
результатам измерения амплитуды и (или) фазы результирующего
напряжения можно судить о том, есть или нет в детали дефект.
Дефекты обнаруживаются в той части детали, по которой проте
кают вихревые токи. Если катушка ВП имеет цилиндрическую фор
му и приложена к детали торцевой частью, возбуждаемый ей вихре
вой ток течет по окружности, диаметр которой равен диаметру ка
тушки. Глубина проникновения вихревых токов в деталь меняется
в пределах от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Она
зависит от частоты возбуждающего тока, электропроводности и
магнитной проницаемости материала детали. Порог чувствительно
сти вихретокового дефектоскопа определяется минимальной глуби
ной трещины, которая может выявляться с заданными вероятнос
тями ошибок. К ошибкам относятся пропуск и ложное обнаруже
ние дефектов.
Метод эффекта Холла основан на выявлении магнитных полей
преобразователями Холла. Если через полупроводник в одном на
правлении пропускать постоянный ток I плотностью j, а в другом
169

направлении воздействовать
магнитным полем B, то в тре
тьем направлении можно изме
рить напряжение U, меняюще
еся пропорционально силе маг
нитного поля:

U = RBbj,

Рис. 3.14. Схема выявления магнит
ных полей методом эффекта Холла

где R — постоянная Холла;
b — расстояние между гранями,
на которых возникает измеряемое
напряжение (рис. 3.14).

Данное явление получило
название эффекта Холла, по
имени физика Эдвина Герберта Холла, открывшего этот эффект в
1879 г. в тонких пластинках золота.
Метод эффекта Холла применяют для обнаружения дефектов,
измерения толщины покрытий, контроля структуры и механичес
ких свойств ферромагнетиков, регистрации магнитных полей.
Пандеромоторный метод основан на измерении силы отрыва по
стоянного магнита от контролируемого объекта.
Магниторезисторный метод основан на магниторезистивном
эффекте Гаусса и заключается в выявлении магнитных полей маг
ниторезистивными преобразователями.
Методы контроля проникающими веществами могут быть разде
лены на две основные группы: капиллярные методы и методы тече
искания.
Капиллярные методы основаны на проникновении смачивающей
жидкости в поверхностные трещины и поры под воздействием ка
пиллярных сил. Сила проникновения жидкостей в отверстия и щели
зависит от диаметра отверстия или расстояния между стенками
щели. Чем меньше эти размеры, тем лучше проникает в них жид
кость. Уменьшение диаметра отверстий или расстояния между стен
ками щелей и трещин не может происходить беспредельно. При
дальнейшем уменьшении этих размеров глубина проникновения
жидкости в трещины и поры начинает снижаться, а при достиже
нии, примерно, десятых долей микрона полностью прекращается.
Чем больше вязкость жидкости, тем на меньшую глубину она про
никает в трещину или пору. Капиллярные методы подразделяются
170

на цветной, люминисцентный и люминисцентноцветной. Их от
личие состоит в использовании различных свойств проникающих
жидкостей. При цветном методе индикаторный рисунок формиру
ется на поверхности проявляющей краски в видимом диапазоне
излучения, а при люминисцентном освещении поверхности ульт
рафиолетовым излучением.
Технология контроля капиллярным методом заключается в сле
дующем. Деталь или участок детали, подлежащий контролю, очи
щают химическим или электрохимическим способом. Наиболее
эффективным является анодноультразвуковой способ очистки.
После очистки деталь подвергается промывке органическими ра
створителями для удаления с поверхности детали и внутренних по
верхностей дефектов смазочных материалов, жировых отложений,
керосина и влаги, оставшейся после предыдущей очистки. В ка
честве органических растворителей обычно применяют авиацион
ный бензин А70 или ацетон. Для освобождения внутренних по
лостей дефектов от растворителей детали сушат. Возможны три
способа сушки: обдувка сжатым воздухом, выдержка на воздухе и
прогревание в сушильном шкафу.
Продолжительность сушки деталей на воздухе должна быть не
меньше 15—20 мин. Во всех случаях перед сушкой деталь целесо
образно протереть сухой чистой ветошью. Далее деталь или кон
тролирующую ее часть 3—4 раза с выдержкой 1—2 мин обильно
смачивают красной проникающей жидкостью. При этом исполь
зуют жесткие волосяные кисти, фетровые карандаши или валики
из губчатых материалов. В последний раз проникающей жидкостью
смачивают несколько большую площадь детали. Через 15—20 с после
окончания смачивания детали проникающей жидкостью поверх
ность детали очищают маслянокеросиновой смесью. Для этого ис
пользуют ветошь, пропитанную смесью, валик из губчатых мате
риалов или волосяную кисть. После того как проникающая жид
кость растворится в маслянокеросиновой смеси (4—5 мин), ее уда
ляют чистой ветошью. Далее на поверхность детали распылителями
наносят проявляющую краску белого цвета. Толщина слоя краски
должна быть приблизительно 0,01—0,02 мм. В труднодоступных ме
стах краску наносят мягкой волосяной кистью. Контролируемые де
тали осматривают дважды. Первый раз через 5—6 мин и второй раз
через 12—20 мин после нанесения белой проявляющей краски. При
171

первом осмотре обычно обнаруживают относительно крупные де
фекты, а также более мелкие дефекты типа шлифовочных трещин
на деталях, не бывших в керосине, смазочных маслах и других по
добных средах. Вторым осмотром устанавливают наличие трещин
термического происхождения, имеющих окисленные стенки, а так
же усталостные и шлифовочные трещины на деталях, находивших
ся в керосине или масле. Наиболее ответственные детали осматри
вают третий раз через 1—2 ч после нанесения белой проявляющей
краски.
Капиллярные методы, проводимые по принятой технологии кон
троля, обеспечивают выявление на хорошо подготовленных дета
лях трещин глубиной от 0,01—0,03 мм и шириной раскрытия от
0,001—0,002 мм и более.
Краску удаляют с поверхности детали ветошью или щетками,
смоченными растворителями. Белую проявляющую краску нельзя
снять бензином, керосином и дизельным топливом.
Метод течеискания предназначен для установления места утечек
и степени герметичности вакуумных систем. В зависимости от вида
применяемых пробных веществ метод разделяют на три группы:
– гидравлические — в качестве пробного вещества используют
жидкость (воду, масло);
– газогидравлические — в качестве пробного вещества исполь
зуют газ, а жидкость играет вспомогательную роль для установле
ния места утечки газа;
– газовые — в качестве пробного вещества используется газ (воз
дух, гелий, аргон и др.).
Наиболее подходящим является гелий — инертный и нейтраль
ный газ, обеспечивающий безопасность и долговечность работы.
Его молекула состоит из одного атома диаметром 0,215 наномет
ра, плотность гелия при нормальных условиях в 7,2 раза меньше,
чем воздуха, а притяжение его молекул в 16 800 раз меньше, чем у
воздуха. Это делает гелий высокотекучим и позволяет ему прони
кать сквозь микроскопические отверстия. Гелий имеет относитель
но низкую цену. Его избыточное наличие легко определяется мас
спектрометрической ячейкой, благодаря отсутствию интерференции
с другими газами и парами. Содержание гелия в атмосфере очень
мало (5 ррм, т.е. 0,0005 %), что позволяет обеспечить высокую точ
ность измерения, даже при работе по методу щупа.
172

По способу создания потока и идентификации пробного веще
ства различают следующие методы контроля герметичности: метод
опрессовки, люминесцентный метод, метод искрового разряда, ма
нометрический метод, галогенный метод, массспектрометрический
метод и некоторые другие. В вакуумной технике наибольшее рас
пространение получили массспектрометрический и манометричес
кий методы в различных модификациях. Для поиска мест утечек в
секциях холодильника тепловоза наибольшее распространение по
лучил метод опрессовки.
Радиационные методы подразделяются на радиографический,
радиоскопический и радиометрический методы и основаны на ре
гистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения
после взаимодействия с контрольным объектом. Эти методы по
зволяют обнаружить дефекты в сварных, клепанных, паяных со
единениях.
В радиографическом методе в качестве источников излучения
используют рентгеновские аппараты, гаммадефектоскопы и уско
рители. Излучение, проходящее через контролируемую зону, созда
ет неоднородное электромагнитное поле, которое фиксируется на
фотопленке или фотопластинке. После обработки изображение де
фекта становиться видимым.
В радиоскопическом методе радиационное излучение поступает
на сцинтилляционный экран и далее на фотоэлектронный умно
житель. После преобразования изображение в электронном виде
передается на телевизионный монитор, что позволяет анализиро
вать наличие дефектов визуально.
В радиометрии радиационное излучение, подаваемое в иониза
ционную камеру или счетчик, производит ионизирующее воздей
ствие на газ, содержащийся в них. Возникающий ионизационный
ток измеряется прибором [30].

3.3. Метод экспертных оценок
Метод экспертов (экспертных оценок) является основным ме
тодом диагностирования на этапе создания и доводки опытных об
разцов сложных изделий. Его применение обосновано отсутствием
достаточного объема наблюдений за аналогичными процессами в
прошлом и невозможностью применения классических подходов.
В этом случае возникает необходимость принятия решений в усло
173

виях неопределенности. Для повышения обоснованности принима
емых решений необходимо использовать коллективный и индиви
дуальный опыт. Опыт специалиста, его интуиция помогают ему в
условиях неопределенности оценить возможные варианты приня
тия решения и выбрать наиболее предпочтительное и рациональ
ное. Результат использования знаний специалистов будет значитель
но эффективнее, если для сбора, обобщения информации и анализа
применяют специальные процедуры, логические приемы и матема
тические методы, получившие название методов экспертных оценок.
Информация, полученная от экспертов, должна быть формали
зована. Формализация необходима для более удобного использо
вания информации при принятии решения. По результатам срав
нения и оценке возможных вариантов действий, когда каждый
из вариантов можно оценить соответствующим определенным чис
лом, формируется система предпочтений. При этом могут быть ис
пользованы различные шкалы: номинальные, порядковые, интер
вальные, шкалы отношений [37].
Когда анализируемые факторы невозможно измерить, их можно
расположить в порядке возрастания или убывания. Этот прием на
зывается ранжированием. Ранжирование позволяет выбрать из всей
совокупности факторов наиболее существенный. Процедура ран
жирования заключается в следующем. Эксперт должен расположить
факторы в порядке, который представляется ему наиболее рацио
нальным, и поставить каждому фактору соответствующие числа
натурального ряда — ранги. При этом ранг 1 получает наиболее
предпочтительная альтернатива, а ранг N — наименее предпочти
тельная. В результате должна получиться шкала, в которой число
рангов соответствует числу ранжируемых альтернатив. Иногда воз
никают ситуации, когда эксперт не в состоянии определить поря
док рангов для двух или более альтернатив. В таких случаях альтер
нативам присваивают так называемые стандартизированные ранги.
Пример. Пусть шести альтернативам i присвоены ранги xi (табл. 3.2).
Таблица 3.2
Таблица рангов

174

Альтернативам 2, 3 и 4 эксперт присвоил ранг 2, а альтернативам 5 и 6 ранг 3.
Для этих альтернатив рассчитывается стандартизированный ранг, значение ко
торого представляет среднее суммы мест, поделенных между собой альтернати
вами с равными рангами. Тогда альтернативам 2, 3 и 4, поделившим второе,
третье и четвертое место, приписывается стандартизированный ранг, равный
2+3+4
S=
= 3,
3
а альтернативам 5 и 6
5+6
= 5,5.
2
В табл. 3.3 представлены результаты стандартизированного ранжирования.
S=

Таблица 3.3
Таблица рангов

При этом сумма рангов будет равна сумме чисел натурального
ряда
n

S N = ∑ xi =
i =1

n(n + 1)
.
2

Метод экспертов субъективен, так как не всегда можно полу
чить достоверную информацию о причинах появления дефекта из
за ограниченных человеческих возможностей при обработке по
ступающей информации. Статистическая обработка информации,
полученной от экспертов, должна включать оценку степени со
гласованности мнений экспертов и выявления причин их неодно
родности. Для анализа разброса и согласованности оценок, полу
ченных от экспертов, применяются обобщенные статистические
характеристики. Для оценки вариационного размаха чаще всего
используется пара величин — xmin, xmax. Достаточно хорошими ха
рактеристиками разброса являются средние отклонения — сред
нее квадратическое отклонение и дисперсия

σ=

∑ ( x − x )2 ,
m

где x — варианты (оценки);
x — среднее арифметическое;
m — число оценок.

175

При анализе согласованности оценок экспертов нередко исполь
зуется коэффициент вариации
σ
⋅100 %.
x
Для оценки согласованности мнений пары экспертов могут быть
использованы коэффициенты ассоциации, с помощью которых учи
тывается лишь число совпадающих или несовпадающих ответов.
Устюжаниновым В.Л. предложен коэффициент, характеризующий
информационную меру близости ответов двух экспертов,
ν=

Sij =

2mij
 tj
ti log2 1 +
 t
i


 t

 + t j log2 1 + i

 tj








,

где mij — количество признаков, одинаково оцененных iм и jм специалистами;
ti — количество признаков, оцененных iм специалистом;
tj — количество признаков, оцененных jм специалистом.

Величина Sij меняется в пределах от 1 до 0. При Sij = 1 мнения
экспертов совпадают, при Sij = 0 наблюдается полное различие
мнений.
При решении практических задач количество факторов и число
привлеченных экспертов может быть достаточно большим. В этом
случае применение методов парного сравнения становится чрезвы
чайно трудоемким. Для оценки согласованности мнений экспертов
применяют коэффициент конкордации — общий коэффициент ран
говой корреляции для группы, состоящей из m экспертов. Расчет
коэффициента конкордации осуществляется в следующей последо
вательности:
– рассчитывается сумма оценок (рангов) по каждому фактору,
m

полученная от всех экспертов,

∑ xij ;
j =1

– рассчитывается разность между этой суммой и средней сум
мой рангов
m

∆i = ∑ xij − T ,
j =1

176

где
n m

T=

∑ ∑ aij

i =1 j =1

,

n

где aij — среднее значение для суммы рангов ряда равно

aij = −0,5m(n + 1);
– рассчитывается сумма квадратов разностей
2

m

S = ∑  ∑ xij − 0,5m(n + 1) ;


i =1  j =1

n

– при наилучшей согласованности мнений экспертов суммар
ное квадратичное отклонение от их среднего значения для суммар
ных рангов факторов
S max = 0,5nm 2 (n 2 − 1);

– коэффициент конкордации

W =

S
S max

.

Коэффициент конкордации находится в диапазоне от 0 до 1. При
W = 1 следует, что все эксперты дали одинаковые оценки по данно
му признаку. Чаще всего коэффициент конкордации рассчитывает
ся по формуле, предложенной Кендаллом:

W =

12S
2

m (n3 − n)

.

Если один или несколько экспертов не могут установить ранго
вое различие между несколькими смежными факторами и присва
ивают им одинаковые ранги, то коэффициент конкордации рассчи
тывается по формуле

W =

S
m

,

1 2 3
m (n − n) − m ∑ T j
12
j =1
177

где

Tj =

1
∑ (t 3 − t ),
12 t j j
j

где tj — число одинаковых рангов в jм ряду.

3.4. Виброакустические методы
Виброакустические методы диагностирования основаны на ана
лизе вибрационных и акустических колебаний, возникающих при
работе механизмов. Виброакустическая диагностика нашла широ
кое применение не только в локомотивном хозяйстве, но и во мно
гих отраслях транспорта и народного хозяйства как высокоэффек
тивный и универсальный метод диагностирования. Одним из су
щественных достоинств этого метода является отсутствие необхо
димости разборки диагностируемого узла. В недалеком прошлом
диагностирование виброакустическими методами ограничивалось
анализом шумов человеком на слух, с помощью слуховых трубок
или стетоскопов. Для анализа вибросигнала в зубах зажималась де
ревянная палочка и прикладывалась к диагностируемому агрегату.
Опыт человека позволял выделить составляющую вибросигнала,
характеризующую неисправность. В настоящее время развитие эле
ментной базы позволяет на значительно более высоком уровне
фиксировать параметры акустических и вибрационных сигналов
и, используя возможности вычислительной техники, математичес
ки обрабатывать и получать объективные результаты диагноза.
Существуют несколько причин, вызывающих колебания меха
низма. Для узлов и деталей, совершающих вращательное дви
жение — дисбаланс, увеличивающийся в процессе работы ме
ханизма за счет изнашивания сопрягающихся поверхностей и
смещения центра тяжести деталей. Эти колебания характеризуются
низкими частотами, сравнительно большими амплитудами пере
мещения и малыми ускорениями. Зависимость частоты вибрации
от скоростного режима механизма является характерной чертой
этого вида колебаний, позволяющей их легко обнаружить и выде
лить. Основная частота вибрации механизма равна частоте враще
ния вала, на котором находится несбалансированная масса. Вто
рой причиной колебаний являются соударения деталей. В резуль
178

тате возникают высокочастотные колебания с малыми амплиту
дами и большими ускорениями.
Простейшие гармонические колебания можно проиллюстриро
вать на примере свободных колебаний груза, подвешенного на уп
ругом элементе (рис. 3.15). При отклонении груза от положения
равновесия за счет действия силы упругого элемента груз будет стре
миться возвратиться в исходное положение. После прохождения
точки равновесия под действием инерционных сил груз будет про
должать двигаться до тех пор, пока кинетическая энергия не преоб
разуется в потенциальную. Такие колебания могли бы происходить
довольно длительный промежуток времени, однако внутренне и
внешнее трение приводит к затуханию колебаний и к стремлению
груза в конечном итоге занять первоначальное положение равнове
сия. Гармонические колебания характеризуются следующими пара
метрами:
– амплитуда колебания — максимальное отклонение материаль
ной точки от положения равновесия (А), мм;
– период колебаний — интервал времени, в течение которого мате
риальная точка пересекает ось абсцисс в одном направлении (Т ), с;
– частота колебаний — величина обратная периоду (F = 1/T), с–1.

Рис. 3.15. Гармонические колебания

При наиболее часто встречающихся синусоидальных колебани
ях мгновенное значение координат определяется по формуле

x = A sin(2π / T )t = A sin πFt ,
где t — текущее значение времени.

Скорость V(t) и ускорение a(t) гармонического колебания опре
деляются как первая и вторая производные от перемещения:
179

V =
a=

dx
= ωA cos ωt ;
dt

dV
= ω2 A sin(ωt + π).
dt

Виброскорость обычно измеряют в м/с или в мм/с, в англоязыч
ных странах — дюйм/с (ips). При измерении виброскорости исполь
зуются как cреднеквадратическое значение (СКЗ) амплитуды, так и
пиковое значения. В некоторых странах, например, в США, в силу
давней традиции, пиковое значение является более употребительным.
Максимальная амплитуда (пик) — это максимальное отклонение
от нулевой точки, или от положения равновесия.
Среднеквадратическое значение амплитуды равно квадратному
корню из среднего квадрата амплитуды колебания. Для синусои
дальной волны СКЗ в 1,41 раза меньше пикового значение, однако
такое соотношение справедливо только для данного случая.
Виброускорение обычно измеряют в единицах g СКЗ (g — ускоре
ние свободно падающего тела). В действительности g не является
системной единицей — это просто то ускорение, которое мы ис
пытываем, находясь на Земле. Стандартными единицами измере
ния ускорения являются м/с2, а в англоязычных странах — дюйм/c2
(g = 9,81м/с2).
Для отражения параметров вибросигнала могут быть использо
ваны линейные и логарифмические амплитудные шкалы. При ис
пользовании линейной амплитудной шкалы очень легко выявить и
оценить максимальную компоненту в спектре, однако меньшие ком
поненты могут быть упущены. Глаз человека способен различить в
спектре компоненты в 50 раз ниже максимальной. Все, что меньше
этого, может быть упущено.
Амплитуды колебаний зарождающихся неисправностей очень
малы. Однако пренебрегать ими при анализе нельзя. В этом случае
на графике удобнее откладывать не само значение амплитуды ко
лебания, а ее логарифм. При таком подходе легко визуально разли
чать амплитуды, отличающиеся в 5000 раз.
Удобной разновидностью логарифмического представления яв
ляется децибел (дБ). По существу, он представляет собой относи
тельную единицу измерения, в которой используется отношение
180

амплитуды к некоторому опорному уровню. Децибел определяется
по следующей формуле:
Lv = 20 lg(U / U 0 ),
где L — уровень сигнала в дБ;
U — уровень вибрации в обычных единицах ускорения, скорости или сме
щения;
U0 — опорный уровень, соответствующий 0 дБ.

Будем обозначать уровень виброскорости в дБ как V дБ (от сло
ва Velocity — скорость), и определим его следующим образом:
Lv = 20 lg(V /V 0 ),
где V0 = 5⋅10–8 м/с2.

Опорный уровень в 10–9 м/с2 достаточен для того, чтобы все из
мерения вибраций машины в децибелах были бы положительны
ми. Указанный стандартизованный опорный уровень соответствует
международной системе СИ, однако он не признается в качестве
стандарта в США и других странах. Например, в ВМС США и мно
гих американских отраслях промышленности в качестве опорного
берется значение 10–8 м/с. Это приводит к тому, что американские
показания для той же виброскорости будут на 20 дБ ниже, чем в
СИ. (В российском стандарте используется опорный уровень виб
роскорости 5×10–8 м/с, поэтому российские показания Lv еще на
14 дБ ниже американских).
Таким образом, децибел — это логарифмическая относительная
единица амплитуды колебаний, которая позволяет легко проводить
сравнительные измерения. Любое увеличение уровня на 6 дБ соот
ветствует удвоению амплитуды, независимо от исходного значения.
Аналогично, любое изменение уровня на 20 дБ означает рост амп
литуды в десять раз. Таким образом, при постоянном соотношении
амплитуд их уровни в децибелах будут различаться на постоянное
число, независимо от их абсолютных значений. Такое свойство очень
удобно при отслеживании развития вибрации (трендов): рост на 6 дБ
всегда указывает на удвоение ее величины.
В соответствии со стандартами МЭК:
1 м/с2 = 120 дБ виброускорения,
1 мм/с = 120 дБ виброскорости,
1 мкм = 120 дБ вибросмещения,
20 Па = 120 дБ звукового давления.
181

Вибросмещение, виброскорость и виброускорение, измеренные
в одной точке и выраженные в децибелах, совпадают только на од
ной частоте — 1000 рад/с или 159,2 Гц.
При реальной работе механизмов в результате неуравновешен
ностей, ударов и воздействия множества случайных факторов
формируются сложные колебательные процессы с различными часто
тами и амплитудами, которые накладываются друг на друга (рис. 3.16).
На этом рисунке приведен простейший вид колебательного про
цесса, анализ которого не представляет значительных трудностей.
В действительности временная развертка колебаний диагностируе
мых узлов представляет собой широкополосный спектр, анализ ко
торого требует сложной математический обработки (рис. 3.17).

Рис. 3.16. Результирующие колебания

Рис. 3.17. Временная реализация (а) и спектральное разложение (б) вибросигнала

182

Для математического описания сложного колебательного про
цесса наиболее часто применяется разложение в ряд Фурье:
∞

∑ Ak sin(k ωt + ϕk )

A(t ) = A0 +

(3.1)

k =0

или

A(t ) = A0 +

∞

∑ Ak′ cos(k ωt ) + Ak′′ sin(k ωt ),

(3.2)

k =0

где Ak — амплитуда колебательного смещения;
k — гармоника;
ω — круговая частота первой гармоники;
ϕk — начальный фазовый угол kй гармоники;
L0 — постоянная составляющая, определяющая среднее значение функ
ции L(t) за период T.

В формулах (3.1, 3.2) значения коэффициентов рассчитываются
по формулам:

A0 =

Ak′ =

2
T

2
Ak′′ =
T

1
T

T
2

∫

T
2

∫

A(t )dt ;

T
−
2

A(t )cos(k ωt )dt ;

T
−
2
T
2

∫

A(t )sin(k ωt )dt ;

T
−
2

Ak′ = Ak sin ϕk ;

Ak′′ = Ak cos ϕk ;
183

(Ak′ ) + (Ak′′ )
2

Ak =

tg ϕk =

2

;

Ak′
,
A ′′
k

где T — период колебаний.

Процесс преобразования функции или переход от одного аргу
мента (времени) к другому (частоте) получил название спектраль
ного анализа. Амплитудный спектр пе
риодической функции графически
изображается в виде совокупности от
дельных вертикальных линий, длины
которых соответствуют величине ам
плитуды гармоники (рис. 3.18).
Приведенная выше методика рас
Рис. 3.18. Графическое изобра чета коэффициентов ряда Фурье при
жение колебательного процесса менима для непрерывных функций. В
в виде спектра колебаний
практических расчетах, когда вибро
сигнал фиксируется в виде ряда дискретных значений использует
ся дискретное (быстрое) преобразование Фурье. Если функция
f(t) в промежутке 0 ≤ t ≤ T известна только в точках t k =
1, …, N – 1) и N — четное, то ряд Фурье принимает вид

A(t ) =

a0

kT
(k = 0,
N

n −1


 lt 
 lt  a
 2πnt 
+ ∑ al cos  2π  + bl sin  2π  + n cos 
,
2 l =0 
 T
 T  2
 T 

 N +1
где n = 
 , (l = 0,1,... n) .
 2 

Коэффициенты ряда Фурье рассчитываются по формулам:

al =

2
N

2
bl =
N
184

N −1

∑

k =0
N −1

∑

k =0

 2πkl 
f tk cos 
;
 N 

( )

 2πkl 
f tk sin 
;
 N 

( )

b0 = bn = 0; a0 = 2c0 ; an = 2cn .

Если N = qp, то

cl =

q −1

1
lm 

cr ,m exp  −2πi  (0 ≤ r ≤ p − 1,0 ≤ m ≤ q − 1,0 ≤ l < N − 1);
∑
q m =0
N

cr ,m =

1
q

p −1

jr 

f (tm + jq )exp  −2πi .
p

j =0

∑

В процессе эксплуатации диагностируемого узла в результате
образования и развития дефекта изменяются параметры вибросиг
нала. Увеличиваются амплитуды и появляются дополнительные ча
стоты колебаний. Сложность применения вибродиагностики зак
лючается в необходимости выделения полезного сигнала о состоя
нии узла на фоне помех.
Чаще всего на практике применяются следующие виды анализа
вибросигнала:
– по среднеквадратичному значению виброскорости, что позво
ляет выявлять дефекты подшипников на самых последних стадиях
их развития, когда общий уровень вибрации значительно вырастет.
Метод требует минимальных технических затрат и не требует спе
циально обученного персонала;
– по спектру вибросигнала. Этот метод применяется на практи
ке достаточно часто, так как с его помощью можно выявлять, наря
ду с диагностикой подшипников, большое количество других де
фектов оборудования. Однако такой метод позволяет определять
дефекты подшипников, когда энергия резонансных колебаний вы
растет настолько, что будет заметна в общей картине частотного
распределения всей мощности вибросигнала. Для реализации дан
ного метода необходим широкополосный спектроанализатор с хо
рошей разрешающей способностью и подготовленный персонал;
– по соотношению пик / фон вибросигнала. Этот метод разра
батывался несколькими фирмами и имеет много различных, при
мерно одинаковых по эффективности, практических модифика
ций, таких как:
HFD (High Frequency Detection — метод обнаружения высокочас
тотного сигнала);
185

SPM (Shock Pulse Measurement — метод измерения ударных им
пульсов);
SE (Spike Energy — метод измерения энергии импульса).
Лучшие модификация данного метода позволяют выявлять де
фекты подшипников качения на достаточно ранних стадиях, а диа
гностические приборы, базирующиеся на этом методе достаточно
просты и дешевы.
Теоретически данный метод диагностики дефектов подшипни
ков качения может базироваться и на анализе акустических сигна
лов и на анализе вибросигналов:
– по спектру огибающей сигнала, что дает возможность выяв
лять дефекты подшипников на самых ранних стадиях;
– SEE (Spectral Energy Emitted — анализ излучаемой спектраль
ной энергии) — использует специальный датчик акустической
эмиссии. Далее отфильтрованный сигнал подается на анализатор
спектра;
— диагностика по спектру огибающей вибросигнала. Этот ме
тод, разработанный и запатентованный в России, в настоящее вре
мя считается уже классическим методом для анализа вибросигна
лов с подшипниками качения.
Как показывает практика, все вышеперечисленные методы раз
личаются и теоретическими предпосылками, и типом используе
мого оборудования, его стоимостью, необходимой подготовкой пер
сонала и конечно своей эффективностью. Чем на более ранней ста
дии и с большей достоверностью необходимо обнаруживать дефек
ты подшипников, тем дороже это стоит.
Самым эффективным методом обнаружения дефектов на ран
них стадиях являются методы диагностики по спектрам огибаю
щих. Поэтому наиболее предпочтительным является использование
в практике этого метода диагностики дефектов подшипника, так как
он менее остальных подвержен различным помехам и в результате
обладает большей достоверностью.

3.5. Тепловые методы
Тепловые методы основаны на анализе теплового излучения де
талей, элементов или устройств при их функционировании. В про
цессе работы деталей часть энергии преобразуется в тепловую, ко
торая приводит к перераспределению тепловых полей как на по
верхности, так и по всему объему деталей. В большинстве случаев
186

формирование тепловых полей зависит от правильности протека
ния рабочего процесса — наличия дефектов, изменения парамет
ров физических процессов (повышение коэффициента трения, на
рушение режима смазки, повышение переходного сопротивления
и т.п.). Изменение характеристик теплового излучения свидетель
ствует об изменении режима работы устройства. Для отдельных
деталей и элементов увеличение интенсивности их теплового из
лучения характеризуется локальными тепловыми перегревами,
связанными с наличием дефектов или неоднородностей.
Тепловые методы контроля разделяются на активные и пассив
ные, контактные и неконтактные. Активный метод теплового кон
троля предполагает нагрев объекта контроля внешним источником
энергии. После нанесения теплового удара наблюдают процесс рас
пространения тепловых волн. На характер изменения тепловых по
лей оказывает влияние наличие дефектов деталей. Пассивный ме'
тод заключается в контроле и регистрации собственного теплового
излучения объекта контроля, интенсивность которого изменяется с
изменением технического состояния объекта.

3.5.1. Контактные методы теплового контроля
Метод плавких вставок. В процессе создания новых конструк
ций узлов и агрегатов часто возникает задача контроля распределе
ния температурных полей в труднодоступных местах, например,
термометрия поршней двигателей внутреннего сгорания. В этом
случае наиболее приемлемым способом контроля является метод
плавких вставок. На исследуемой поверхности поршня в специ
ально выполненных глухих отверстиях зачеканивают плавкие
вставки, которые представляют собой короткие трубки длиной 3—
5 мм, заполненные специальным сплавом. Температура плавления
сплава в каждой трубке различная. На поверхности устанавливают
ся несколько плавких вставок, с диапазоном температур, пере
крывающим прогнозируемое значение. После этого двигатель дол
жен проработать на исследуемом режиме около 30 минут. Темпера
туру в месте измерения определяют как среднюю между температу
рами плавления самого холодного сплава из невыплавившихся
«вставок» и самого горячего из выплавившихся. Точность измере
ний (1—6 %) тем выше, чем меньше разность температур плавле
ния двух соседних сплавов.
187

Измерение температуры термопарами. К достоинствам термопар
следует отнести сравнительно высокую надежность работы, широ
кий диапазон измеряемой температуры (вплоть до 2200 °С), малую
инерционность, простоту изготовления, низкую стоимость, удоб
ство монтажа. Термопары могут обеспечивать высокую точность
измерения температуры на уровне ±0,01 °С. Благодаря этим свой
ствам, термопары получили широкое распространение. Следует от
метить, что при использовании термопар и терморезисторов боль
шое внимание необходимо уделять надежности контакта датчика с
поверхностью исследуемого объекта.
Принцип работы термопары основан на возникновении термо
электродвижущей силы при нагреве спая разнородных металлов
термопары. Величина термоЭДС пропорциональна температуре узла
или элемента, в котором она установлена. Все термодатчики имеют
нелинейную зависимость выходного сигнала от температуры.
На рис. 3.19 показана конструкция хромельалюмелевой термо
пары типа КТХА01. Термопара располагается так, что ее спай ка

Рис. 3.19. Устройство термопары типа КТХА01:
а — общий вид; б — конструктивное исполнение

188

сается защитного чехла. На термоэлектроды надеты изоляционные
бусы. В головке защитного корпуса термопары расположена колод
ка с зажимами для термоэлектродов и соединительных проводов.
В табл. 3.4 приведены параметры наиболее распространенных
термопар. При их изготовлении обычно применяют такие металлы,
как железо, платина, родий, рений, вольфрам, медь, алюмель (сплав
никеля с алюминием), хромель (сплав никеля с хромом) и констан
тан (сплав меди и никеля).
Таблица 3.4
Характеристики термопар

При выборе термопары необходимо учитывать нелинейность за
висимости ЭДС от температуры. Выбирать следует ту термопару,
коэффициент линейности которой изменяется менее других в рам
ках измеряемого диапазона температур.
В зависимости от назначения и конструкции различают термо
пары поверхностные и погружаемые; с обыкновенной, взрывобе
зопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной
или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибро
тряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т.д.
Для уменьшения погрешности измерения некоторую часть тер
мопары, примыкающую к горячему спаю, стараются уложить на
измеряемую (изотермическую) поверхность и добиваются хороше
го контакта головки спая с последней путем тщательной заделки.
Так, например, для обследования теплового состояния подшипни
ковых вкладышей горячий спай термопары заделывают иногда не
посредственно в гнездо, применяя для этого пайку, а изолирован
ные концы термопары предварительно выводят через два наклон
ных отверстия.
Измерение температуры термоиндикаторами. Цветовые термоин
дикаторы являются одним из перспективных средств не только ре
гистрации, но и измерения температуры.
189

Термоиндикаторы плавления — это вещества, резко изменяю
щие свой цвет при достижении определенной температуры. Они
представляют собой суспензию термочувствительных соединений
и пигментов в лаке на основе синтетической смолы. Изменение
цвета происходит в результате плавления термочувствительного ве
щества и абсорбции его цветным пигментом. Термоиндикаторы
плавления предназначены для определения нагрева поверхности
твердых тел, достигших соответствующей критической температу
ры. Они удобны для контроля температурных полей, выявления пе
регретых мест и эффективности систем охлаждения, а также про
гнозирования отказов и поиска вышедших из строя деталей изза
теплового воздействия. Точность фиксации температуры около 2 °С.
По принципу действия термоиндикаторы подразделяются на
четыре типа: термохимические, жидкокристаллические, люминес
центные и термоиндикаторы плавления.
Термохимические термоиндикаторы — это сложные вещества,
которые при достижении определенной температуры резко изме
няют свой цвет за счет химического взаимодействия компонентов.
Жидкокристаллические термоиндикаторы в определенном интер
вале температур переходят в жидкокристаллическое состояние, об
ладающее свойством при незначительном изменении температу
ры так изменять свою температуру, что падающий на них луч све
та разлагается и отражается с изменением цвета. При этом пере
ходы твердых кристаллов в жидкие и жидких в нитропный расплав
являются фазовыми переходами первого рода.
Люминесцентные термоиндикаторы — это разновидность люми
нофоров, которые в зависимости от температуры изменяют либо
яркость, либо цвет свечения.
Термоиндикаторы плавления изменяют свой цвет в результате
плавления одного или нескольких компонентов, имеющих строго
определенные температуры плавления.
По своим физикохимическим превращениям термоиндикато
ры подразделяются на три группы: обратимые, необратимые и ква
зиобратимые.
К обратимым относятся термоиндикаторы, которые изменяя цвет
при нагревании до температуры перехода или выше ее, восстанав
ливают первоначальную окраску при понижении температуры ниже
критической.
190

Необратимыми являются такие термоиндикаторы, в которых
при нагревании происходят необратимые процессы (химические или
физические), в результате чего первоначальный цвет после после
дующего охлаждения не восстанавливается.
Квазиобратимыми называют термоиндикаторы, которые, изме
няя cвой цвет при нагревании до температуры перехода или выше,
восстанавливают его при последующем понижении температуры
постепенно под действием влаги. Они могут применяться много
кратно.
На критическую температуру не влияют влажность, туман, сол
нечная радиация, термоудары (резкие колебания температуры от
–60 °С до температуры на 5 °С ниже температуры перехода), разре
жение. Они химически нейтральны по отношению к лакокрасоч
ным покрытиям и другим материалам.
Возможности применения термоиндикаторов весьма широкие,
(см. табл. 3.5). Пользуясь данными этой таблицы, можно с помо
щью термоиндикаторов определить, был ли перегрев втулки цилин
дра и, следовательно, нарушение теплового режима дизеля в эксп
луатации. Нанося индикатор на поверхность крышек подшипни
ков тяговых электродвигателей, можно упростить контроль их тем
пературы во время поездки.
С помощью термоиндикаторов ТП86 и ТП90 облегчается кон
троль температуры вкладышей подшипников дизеля и прогнозиро
вание их дальнейшей работы в эксплуатации.
Для контроля температурного поля наружных поверхностей не
которых деталей и корпуса двигателя применяются термокраски и
термокарандаши. У некоторых красок изменение цвета происходит
непрерывно, так что температуру можно определить путем сравне
ния с цветовой шкалой (диапазон 120—400 °С). Предпочтение от
дают краскам, которые резко изменяют цвет при одной или несколь
ких температурах и затем сохраняют его при обратном переходе
температуры через точку цветоизменения. Применяют краски од
нократного и многократного использования («Термоколор»). Крас
ки на основе синтетических смол после разбавления наносят на
поверхность с помощью кисти или распылителя. Точность метода
зависит от разности температуры перехода двух соседних термокра
сок и не превышает (5—10) °С. Способ полезен тем, что нанесение
термочувствительного слоя на обследуемую деталь не связано с
191

192
Возможности применения термоиндикаторов плавления

Таблица 3.5

разрушением ее поверхности. Единственным недостатком термо
красок является то, что водяной пар, углекислый газ, аммиак и не
которые другие газы сдвигают температуру перехода. Этот недоста
ток можно компенсировать использованием термокрасок атмосфе
ростойкого исполнения. В табл. 3.6 приведены характеристики оте
чественных термокрасок.
Таблица 3.6
Характеристики отечественных цветовых многопозиционных термокрасок

Термокарандаши используются для быстрого определения тем
пературы поверхности. Через 1—2 с после нанесения штрихов про
исходит изменение цвета, сохраняющегося в течение длительного
времени. Термокарандаши удобны для быстрого контроля темпе
ратуры, тогда как термокраску применяют преимущественно для
исследования распределения температур (изотермическая фотогра
фия) на большой поверхности. В табл. 3.7 приведены характерис
тики некоторых термокарандашей «Термохром».
Метод измерения температуры термошкалами. Термошкалы пред
ставляют собой этикетки с самоклеющейся подложкой, на которых
с некоторым шагом температур установлены «окна» с термочув
ствительными элементами. При достижении деталью определенной
температуры, «окно» термошкалы со значением соответствующей
температуры почернеет. При снижении температуры цвет этого
«окна» остается темным, что позволяет проконтролировать макси
мальную температуру детали в эксплуатации. В настоящее время
193

широкое применение нашли термоиндикаторы «ИНТЕМ». Они
были разработаны в 1987 г. для испытаний образцов новой техники
АНТК им. А. Н. Туполева. С их помощью проводился контроль тем'
ператур наружных поверхностей самолетов в теплонагруженных
местах, а также контроль вновь разрабатываемых узлов и агрегатов
при тепловых испытаниях. В дальнейшем индикаторы «ИНТЕМ»
нашли применение во многих областях промышленности и меди'
цине.
Таблица 3.7
Термокарандаши «Термохром»

Индикаторы «ИНТЕМ» работоспособны и обладают высокими
эргономическими свойствами в условиях вибраций, мощных теп'
ловых потоков и электромагнитных излучений, атмосферных воз'
действий (рис 3.20). Они предназ'
начены для одноразовой индика'
ции максимальной температуры
поверхности твердых тел, газовых
сред.
Технические характеристики:
– погрешность срабатывания
любой термоиндикаторной метки в
диапазонах:
от 40 С до 120 С — не более
2,5 С;
от 121 С до 230 С — не более
Рис. 3.20. Термоиндикаторы
4 С.
«ИНТЕМ»
194

– показания индикатора температуры считываются визуально с
расстояния до 1 м.
На точность показаний индикаторов температуры не влияет по
вышенная влажность, давление до 5 атм., солнечная радиация, пе
репады температур от –50 °С до температуры на 5 °С ниже темпе
ратуры плавления соответствующей термометрической метки на ин
дикаторе.

3.5.2. Бесконтактные методы теплового контроля
Пирометры. Аппаратура, предназначенная для теплового диа
гностирования, состоит из приборов для измерения температуры и
собственно устройств диагностирования, которые перерабатывают
информацию, получаемую от измерительных приборов, в соответ
ствии с заданным алгоритмом. При этом к измерительным бес
контактным приборам относят различные пирометры и приемные
части тепловизоров, а к устройствам диагностирования — регист
рирующие приборы (самописцы, регистраторы двухмерных тоно
вых изображений, дисплеи), а также устройства аналоговой и диск
ретной обработки информации.
Исследование тепловых полей нагретых объектов по их инфра
красному излучению существенно отличается от контактных спо
собов измерений [38].
Приборы, предназначенные для бесконтактного измерения тем
пературы, называют пирометрами. Принцип их действия основан
на использовании зависимости мощности и спектрального состава
инфракрасного излучения от температуры. С помощью пирометров
определяют температуру по излучению конкретного объекта, т.е.
пирометр не вносит никаких искажений в температурное поле ис
следуемого объекта. Пирометры, работающие в диапазоне инф
ракрасного и видимого излучения, можно применять, когда из
лучение объекта является «тепловым», т.е. подчиняется закону Кир
хгофа, что характерно для твердых тел и жидкостей.
Пирометры, работающие в диапазоне инфракрасного излучения,
позволяют измерять более низкие температуры (по сравнению с
пирометрами, работающими в видимой области спектра) и исполь
зовать при этом как видимые (светящиеся), так и невидимые (от
носительно «холодные») объекты.
195

Принцип действия пирометров основан на приеме инфракрас
ного (теплового) излучения объектов и преобразовании его в элек
трический сигнал. Сигнал преобразователя поступает в усилитель
нопреобразующее устройство, выход которого подключен к ука
зывающим или регистрирующим устройствам, либо к устройствам
для автоматического регулирования температуры.
В зависимости от способа использования спектра излучения пи
рометры подразделяют на (рис. 3.21): квазимонохроматические (на
зываемые иногда яркостными), частичного излучения, полного из
лучения и пирометры спектрального отношения. Пирометры излу
чения можно классифицировать также по области их спектральной
чувствительности, методу измерения излучения и конструктивно
му выполнению.
По методу измерения пирометры подразделяют на два класса:
энергетические и спектрального отношения. Принцип действия
пирометров первого класса основан на использовании зависимос
ти энергетической яркости объекта от его температуры, второго
класса — на температурной зависимости распределения спектраль
ной плотности энергетической яркости объекта. Ко второму клас
су относят пирометры сравнения, работающие по принципу срав
нения визуального цветового восприятия средней окраски объек
та, полученной как результат смешения излучений в двух участках
спектра, с излучением эталонного излучателя, а также собственно
пирометры спектрального отношения.
Конструктивно пирометры подразделяют по типу используемо
го преобразователя излучения (термоэлектрические, болометричес
кие, фотоэлектрические и др.), по типу применяемых оптических
систем (линзовые, зеркальные, диафрагмовые и др.), по способу
сравнения излучения объекта с излучением эталонного источника
(пирометр с исчезающей нитью, с нейтральным клином и др.).

Рис. 3.21. Классификация пирометров

196

Обычно указывают одну или две отличительные особенности: на
пример, термоэлектрический рефракторный (линзовый) пирометр
или фотоэлектрический пирометр спектрального отношения. Пол
ное название в таком случае: термоэлектрический линзовый пиро
метр частичного излучения или термоэлектрический пирометр ча
стичного излучения с линзами из фтористого лития и фильтром из
арсенида индия.
Для диагностирования состояния машин и механизмов разрабо
таны и изготовлены экспериментальные пирометры. Принцип их
действия основан на восприятии собственного теплового излуче
ния объекта и преобразования его в электрический сигнал с помо
щью первичных преобразователей излучения, чувствительных к
потоку излучения, спектр которого в основном расположен в инф
ракрасной области. Пирометры подразделяют на приборы с посто
янным полем зрения в пространстве предметов и сканирующие.
Пирометры с постоянным полем зрения в пространстве предме
тов выполняют широкопольными. Оптический канал такого пиро
метра схематически показан на рис. 3.22.
Принцип работы энергетического пирометра с температурной
компенсацией усиления прибора ИКР (рис. 3.23) следующий. Ин
фракрасный поток излучения с поверхности объекта измерения 1

Рис. 3.22. Схема оптического канала пирометра с постоянным полем зрения
в пространстве предметов:
1 — защитный обтекатель; 2 — сферическое окно, 3 — оптический фильтр; 4 —
преобразователь излучения; 5 — полусферический модулятор; 6 — двигатель
модулятора

197

Рис. 3.23. Функциональная схема энергетического пирометра ИКР:
1 — объект излучения (измерения); 2 — объектив; 3 — датчик опорного сигна
ла; 4 — электродвигатель модулятора; 5 — диск модулятора; 6 — сетка визира;
7 — конденсор; 8 — окуляр визира; 9 — преобразователь излучения; 10 — уси
литель; 11 — синхронный детектор; 12 — стрелочный индикатор с электронной
памятью; 13 — пороговое устройство; 14 — блок питания постоянного тока

фокусируется объективом 2 на чувствительную площадку преобра
зователя излучения 9. Зеркальный модулятор 5, приводимый в
движение электродвигателем 4, периодически прерывает поток
излучения. В момент, когда инфракрасный поток от объекта не по
падает на преобразователь, на его площадку попадает поток от
самого преобразователя с помощью дополнительного зеркала.
На зажимах преобразователя возникает электрический сигнал, про
порциональный разности падающих потоков от объекта и преоб
разователя. Электрический сигнал усиливается и в момент откры
тия синхронного детектора 11 попадает на регистрирующий при
бор 12, который проградуирован в градусах Цельсия. Пороговое
устройство 13 срабатывает, когда сигнал на выходе усилителя дос
тигает заданного значения. Визирование исследуемого объекта осу
ществляется наведением объектива прибора через окуляр 8 до со
198

вмещения перекрестия с выбранной точ
кой объекта. Питание прибора — от акку
муляторного или сетевого блока.
На рис. 3.24 показан внешний вид пор
тативного инфракрасного пирометра
ThermoPoint 2 XB Pro (TPT 2). Пирометр
имеет расширенный температурный диа
пазон измерения, высокое оптическое раз
решение и точность.
Тепловизоры. Наибольшее распростра
нение в термографии получили приборы с
мгновенным углом поля зрения, осуще
ствляющие поэлементную регистрацию
образующихся при этом электрических
сигналов в виде тепловых карт. Такой
принцип исследования пространства или
Рис. 3.24. Общий вид пор
объектов позволяет наиболее полно ис тативного инфракрасного
пользовать естественные энергетические пирометра ThermoPoint 2
контрасты, когда основную долю излучае
XB Pro (TPT 2)
мой телами энергии составляют инфра
красные лучи. Эти приборы называют термо или тепловизорами.
Современные проблемы физических исследований и неразруша
ющего контроля требуют создания преобразователей изображений
в широком интервале длин волн — от рентгеновских до радиоволн.
Одно из перспективных направлений современного оптикоэлек
тронного приборостроения — тепловидение — в настоящее время
находит все более широкое применение в науке, технике, медици
не и в различных отраслях народного хозяйства.
Тепловизоры преобразуют инфракрасное излучение нагретых
тел в видимое, обеспечивая индикацию теплового поля нагретых
объектов.
В отличие от пирометров, тепловизоры чаще всего не позволяют
выполнять непосредственный отсчет выходного напряжения. Од
нако с помощью регулятора для установки изотерм, снабженного
точной шкалой, можно достаточно точно определить разность вы
ходных напряжений при визировании двух различных точек объек
та. Таким образом, измеряя последовательно выходной сигнал при
визировании объекта и эталона с известной температурой и излу
199

чательной способностью, можно точно определить абсолютную
температуру измеряемого объекта. Если известна температура ка
коголибо участка поверхности исследуемого объекта (измеренная,
например, с помощью пирометра), то этот участок можно исполь
зовать в качестве эталона.
Особенность тепловизионных систем — возможность регистра
ции слабоконтрастных температур, поэтому чувствительность к пе
репадам температур является важнейшей характеристикой тепло
визоров. На рис. 3.25 представлена схема работы тепловизора.
Излучение от объекта и фона, пройдя через атмосферу (или дру
гую оптически относительно прозрачную среду), попадает на вход
ное окно 1 оптической системы тепловизора, которая фокусиру
ет это излучение и направляет его на преобразователь излучения 6.
В тепловизорах с последовательным поступлением информации
оптическая система содержит сканирующее устройство, которое
осуществляет кадровую и строчную развертку изображения, поэле
ментно направляя излучение от отдельных участков объекта к пре

Рис. 3.25. Схема сканирующего тепловизора:
1 — входное окно; 2 — зеркало; 3 — объектив канала сигнала; 4 — опорный
излучатель; 5 — объектив опорного канала; 6 — преобразователь излучения;
7 — блок электронной обработки сигнала; 8 — двигатель модулятора; 9 — моду
ляционный диск; ωс, ωm — частоты сканирования и модулирования

200

образователю. После усиления электрический сигнал из преобра
зователя попадает на индикаторное устройство, с помощью кото
рого строится изображение теплового поля объекта в соответствии
с законом разложения по строке и кадру, использованным при ос
мотре объекта сканирующей системой тепловизора.
Основные характеристики тепловизора: пороговая чувствитель
ность; энергетическая разрешающая способность; угол поля зрения
в пространстве предметов; угловая разрешающая способность; бы
стродействие.
Пороговая чувствительность тепловизора определяется энерге
тической оснащенностью входного зрачка оптической системы
потоком излучения определенного спектрального состава, при
которой на преобразователь поступает поток излучения, превы
шающий в заданное число раз пороговый поток преобразователя
и флуктуации потока излучения объекта и фона. Пороговый поток
преобразователя определяется уровнем его собственных шумов,
приведенных к уровню шумов усилителя на входе.
Энергетическая разрешающая способность тепловизора характе
ризует энергетическую различимость двух объектов на заданном
фоне. Ее определяют как разность абсолютных температур срав
ниваемых излучателей (объект — объект или объект — фон) при
заданных излучательных способностях и условиях измерения (про
хождения излучения, регистрации и наблюдения изображения).
Угол поля зрения сканирующего тепловизора в пространстве
предметов определяют размеры зоны, захватываемой тепловизо
ром в пространстве предметов при заданных искажениях изобра
жений и линейном разрешении на краях полосы обзора. При не
подвижной оптической оси тепловизора (пирокона, видикона и др.)
ширина полосы захвата зависит от угла поля зрения прибора в про
странстве изображений.
Угловая разрешающая способность тепловизора характеризует
пространственную различимость двух объектов.
Быстродействие — время построения одного кадра изображе
ния — характеризуется скоростными показателями развертываю
щих устройств оптической системы и инерционными свойствами
преобразователя излучения.
Основной элемент тепловизора — первичный преобразователь
инфракрасного излучения. Принцип действия этих приборов осно
201

ван на использовании различных физических явлений, возникаю
щих под воздействием излучения — внешнего и внутреннего фото
эффекта в полупроводниках, термоЭДС, изменений сопротивления,
объема газа, толщины осажденной пленки жидкости и др.
Оптическая система создает изображение вблизи фокальной
плоскости. В сканирующих тепловизорах размер преобразователя
излучения соответствует лишь одному элементу изображения
объекта, поэтому мгновенный угол поля зрения тепловизора срав
нительно невелик. Осмотр всего объекта осуществляют с помощью
системы оптикомеханического сканирования. Траектория скани
рования, определяемая формой контролируемого угла поля зре
ния прибора, может иметь круглую, прямоугольную, спиральную
или другую форму. Чаще всего используют прямоугольную траек
торию сканирования, которая создается двумя колебательными
либо колебательным и вращательным движениями развертываю
щих элементов (зеркал, призм, барабанов и др.).
В настоящее время промышленностью выпускается широкий
спектр тепловизоров, имеющих различные технические характери
стики. Наиболее известны в мировой практике тепловизионные
системы фирмы FCI, США (бывшая AGEMA Infrared Systems, Шве
ция); Фуджицу Лимитед, NEC San'ei Instruments, Ltd, Япония;
Inframetrix & Hugues, США и Бариес Инжениринг компании, FLUKE
Corporation (США); FLIR Systems (Швеция); Testo (Германия).
Российское предприятие ООО «ИРТИС» создало и серийно вы
пускает портативный переносной сканирующий компьютерный
термограф ИРТИС200 (тепловизор), конфигурация которого мак
симально оптимизирована для достижения высоких технических
параметров при использовании относительно простых технологи
ческих решений, а сочетание с новейшими компьютерными тех
нологиями обеспечивает высокую эффективность применения
прибора.
В комплект прибора ИРТИС200 входят: ИКкамера, компью
тер типа NOTEBOOK, программное обеспечение, паспорт и ин
струкция пользователя. ИКкамера представляет собой прецизи
онный оптикомеханический сканер с высокочувствительным
ИКприемником. Ряд примененных в конструкции KNOWHOW
позволяет достичь высокой повторяемости геометрии последова
тельных кадров и равномерной чувствительности по всему полю
кадра. Базовая модель камеры комплектуется ИКприемником, ох
202

лаждаемым жидким азотом. Это определяет ее высокую чувстви
тельность в широком диапазоне температур и позволяет стабили
зировать параметры ИКприемника независимо от температуры
окружающей среды, обеспечивая высокую точность измерения аб
солютной температуры. Технические характеристики прибора при
ведены в табл. 3.8.
Таблица 3.8
Технические характеристики тепловизора ИРТИС200

Опыт показывает, что тепловизионным обследованиям может
быть подвергнуто электротехническое, теплотехническое, гидротех
ническое оборудование, комплексы производственных помещений,
жилые дома и другие объекты. Наиболее широкое применение в
настоящее время тепловизионный метод нашел в энергетике.
Широкое применение в локомотивных депо нашли тепловизо
ры ООО «Балтех» (г. СанктПетербург) TR01100RW и TR01400RW.

3.6. Метод спектрального анализа смазки
Диагностирование узлов локомотивов по результатам контроля
параметров смазочного материала условно можно классифициро
вать в следующем виде (рис. 3.26).
Моторное масло (смазочный материал) является ценным носи
телем информации о процессах, происходящих в узле. Выполняя
функции смазывания трущихся деталей, их охлаждения и уноса
продуктов изнашивания из зоны контакта, моторное масло накап
203

204

Рис. 3.26. Классификация методов диагностирования по параметрам смазочного материала

ливает информацию о техническом состоянии деталей. Попадая в
смазочный материал, продукты изнашивания распределяются по
всему объему и формируют значение концентрации, которое, при
определенных условиях, пропорционально степени изношенности
деталей.
Для определения концентрации железа в масле используется ко
лориметрический анализ, который обеспечивает погрешность опре
деления ±2,5 % и чувствительность до 110–6. Недостатком этого
метода является большая трудоемкость. Проведение одного анали
за занимает от 3 до 8 ч.
Полярографический анализ позволяет определить содержание же
леза, меди, свинца, олова в масле при чувствительности 10–6—10–7
и с погрешностью ±15 %. Проведение на полярографе самого ана
лиза не требует много времени, но приготовление растворов зани
мает от 6 до 10 ч.
Определение продуктов изнашивания в моторном масле можно
производить методом радиоактивных изотопов. Данный анализ, об
ладая исключительно высокой чувствительностью (10–8) и точнос
тью (±16 %), позволяет осуществлять непрерывную регистрацию
измерений непосредственно при работе двигателя. Основным недо
статком его является сложность переоборудования двигателя, высо
кая стоимость измерительной аппаратуры и потребность в биологи
ческой защите обслуживающего персонала. Количество определяе
мых элементов, как правило, ограничивается и не превышает двух.
Метод нейтронной активации не требует переоборудования дви
гателя для диагностирования, так как проба масла, взятая из него,
облучается затем в реакторе мощным потоком нейтронов, после чего
продукты износа становятся радиоактивными. Однако сама акти
вация и расшифровка результатов представляет весьма сложную
задачу. Данному методу присущи те же достоинства и недостатки,
что и радиоактивному.
Одновременно определить концентрацию в масле большого ко
личества элементов позволяет эмиссионный спектральный анализ.
При этом чувствительность анализа отдельных элементов достига
ет 10–6—10–7 % при точности ±4—7 %. Анализ пробы масла на
спектрографе занимает до 10 ч, а использование фотоэлектричес
ких установок для экспрессного анализа позволяет сократить вре
мя определения содержания элементов до 5 мин. На железнодорож
ном транспорте для проведения спектрального анализа смазочного
205

материала применяются фотоэлектрические установки МФС5,
МФС7 или «БАРС3М».
Высокопроизводительный автоматизированный спектрометр
МФС7 (разработчик ЗАО «ОКБ Спектр» г. СанктПетербург) пред
назначен для эмиссионного спектрального анализа смазочных ма
сел на продукты износа деталей двигателей в процессе их эксплуата
ции. Процесс анализа автоматизирован с момента установки про
бы в штатив до получения результатов в единицах концентрации на
экране дисплея, принтере и в памяти персонального компьютера.
Спектрометр МФС7 комплектуется новой компактной простой
системой регистрации на базе одноплатного контроллера КМС1,
работающей под управлением IBMсовместимого компьютера.
Программа QUANT1 обеспечивает автоматическое управление и
контроль технического состояния системы, автоматическую обра
ботку аналитических сигналов, в том числе усреднение и оценку
погрешности результатов измерений, расчет оптимальных регрес
сионных моделей градуировочных характеристик, учет фона, гра
фическое представление градуировочных кривых, оценку погреш
ности градуировки; автоматическую корректировку градуировки;
расчет результатов анализа в единицах концентраций. В табл. 3.9
приведены пределы обнаружения Kч продуктов изнашивания дета
лей двигателя в смазочном масле и сходимость S результатов изме
рения для концентрации K, полученные по одной из аналитичес
ких программ. До настоящего времени метод приближенноколи
чественного эмиссионного спектрального анализа (ПКЭСА) по эк
спрессности и дешевизне — вне конкуренции.
Таблица 3.9
Результаты определения концентрации продуктов изнашивания
в смазочном масле

206

Наиболее перспективным и более точным является метод вза'
имного абсорбционного анализа масел дизелей. Он основан на излу
чении атомных спектров резонансного поглощения. Атомы способ
ны не только излучать свет определенной длины волны, но и по
глощать его. Особенно эффективно поглощается свет той длины
волны, которая соответствует переходу атома в возбужденное со
стояние с основного нижнего энергетического уровня (так называ
емое резонансное поглощение). Чтобы добиться атомнорезонанс
ного поглощения, необходимо задать резонансное излучение, со
ответствующее спектру искомого элемента, и пропустить через него
атомизированную пробу. Если измерить исходное излучение до
прохождения пробы и после нее, то при наличии атомов искомого
элемента в пробе первоначальное излучение уменьшится вследствие
поглощения данного элемента и в настолько большей степени, чем
больше его в пробе. По уменьшению интенсивности заданного из
лучения можно судить о количестве искомого элемента. Чувстви
тельность этого метода в 1000 раз выше эмиссионного. С его помо
щью легко определить 1 атом из миллиона и даже более других ато
мов пробы. Более подробная технология применения метода диаг
ностирования по результатам спектрального анализа смазочного
материала рассмотрена в 4 главе.

3.7. Газоаналитический метод
Газоаналитический метод диагностирования применяется для
оценки технического состояния узлов и систем дизеля. Изменение
параметров рабочего процесса связано с разрегулировкой топлив
ной аппаратуры, закоксовыванием впускных и выпускных окон,
неправильной работой газораспределительного механизма, ухудше
нием воздухоснабжения, износом поршневых колец и цилиндро
вой втулки, ухудшением качества распыла топлива и др. Все эти
причины приводят к изменению параметров выпускных газов и их
химического состава. Контролируя параметры выпускных газов,
можно контролировать качество протекания рабочего процесса ди
зеля и оценивать причины, вызывающие такие изменения.
Диагностирование дизеля по параметрам газовоздушного тракта
довольно распространено, не требует больших финансовых затрат,
имея при этом высокую достоверность. Для определения состоя
ния воздухоочистителей используют прибор УС250, которым из
207

меряют скорость потока воздуха на их входах или выходах. При
бор УС250 (авиационный указатель скорости) дополняется дву
мя датчиками (рис. 3.27), представляющими собой две спаренные
трубки для измерения статического и полного давления. Датчики
ввинчиваются в отверстие на входном фланце воздухоочистителя.
Сравнивая между собой показания этих датчиков, а также с дан
ными, полученными при таких же испытаниях образцовых возду
хоочистителей, можно судить о техническом состоянии. Получен
ные данные могут быть использованы для оценки газовоздушного
тракта в целом.
Для более высокой полноты диагностирования газовоздушного
тракта необходимо знать давление воздуха покоя компрессора, дав
ление и температуру газов перед турбиной, а также температуру и
давление окружающей среды. Для ускорения измерения парамет
ров рекомендуется в выбранных контрольных точках устанавливать
штуцера с постоянно открытыми измерительными отверстиями
диаметром 1,5—2 мм. Это не отразится на работе дизеля, но зато
улучшатся условия проведения измерений. Для измерения темпе
ратуры газа перед турбиной используется термопара с переходни
ком, для измерения давления — малогабаритный манометр. Изме
ренные значения параметров сравниваются с эталонными и после
анализа делается заключение о состоянии газовоздушного тракта.
Для оценки химического состава отработавших газов применя
ются как отечественные, так и зарубежные газоанализаторы (хро

Рис. 3.27. Датчики прибора УС250 для измерения скорости потока газов в
дизеле

208

матограф «Газохром 3101» (Россия), «Testo 350» (Германия), «Kane
940» (Великобритания) и др.). Отработавшие газы дизелей представ
ляют собой мелкодисперсный аэрозоль, фазы которого составляют
твердый фильтрат из углеродистых образований (сажи), капли топ
лива, масла, воды, а средой является смесь более 200 газов (азот,
кислород, окись и двуокись углерода, водород, окислы азота, аль
дегиды, углеводороды, сернистые соединения и др.). Для оценки
количественного содержания в отработавших газах составляющих
фазы аэрозоля используют дымность, т.е. оптическую плотность
многокомпонентной смеси, или сажесодержания, т.е. концентрацию
твердых частиц. Измерения этих показателей производят с помощью
дымомеров с непрерывным поперечным просвечиванием отрабо
тавших газов на выходе из выпускной трубы или с просвечиванием
в мерной трубе и сажемеров. Принцип работы последних заключа
ется в дискретном отборе проб аэрозоля на фильтры с последую
щей оценкой степени почернения сравнением с тоновыми шкалами
или фотометрически. Однозначной зависимости между показате
лями дымометров и сажемеров во всем диапазоне нагрузок дизеля
не существует, равно как и однозначной зависимости между дым
ностью и сажесодержанием. Если величина дымности определя
ется наличием в отработавших газах твердых и жидких частиц (из
жидких прежде всего частиц топлива), то сажесодержание является
функцией только концентраций твердого фильтрата. Пары воды и
других составляющих аэрозоля поглощают свет в узком диапазоне
спектра и практически не влияют на его прозрачность. В силу этого
пропорциональная зависимость между показателями дымомеров и
сажемеров имеет место лишь в области больших нагрузок, когда
масло сгорает полностью и отсутствует в отработавших газах. При
малых нагрузках дымомеры начинают сильно реагировать на кон
центрации жидкой фазы, заметное влияние ее на показания саже
меров отсутствует.
Как дымность, так и сажесодержание зависят от конструкции
двигателя, режима его работы, рода используемого топлива, а так
же от технического состояния дизеля и его регулировок. Последнее
оправдывает использование анализируемых показателей в качестве
диагностических параметров.

209

3.8. Математические методы
Математические методы диагностирования основаны на приме
нении методов математического моделирования процессов, проис
ходящих в диагностируемом объекте, и различных теорий, напри
мер, теории распознавания образов. Еще в древности считалось, что
процесс хорошо изучен, если его удается описать математически.
Сложность процессов, протекающих в узлах и системах локомотива,
влияние множества случайных факторов, оказывающих, зачастую,
существенное воздействие на формирование диагностических пара
метров, затрудняют применение математического моделирования диа
гностируемых процессов. Наиболее распространены математичес
кие методы моделирования при организации диагностирования элек
трических цепей и электрооборудования локомотивов. Вместе с тем
математическое моделирование и применение различных теорий по
зволяет значительно улучшить показатели диагностического процес
са (сокращается время и затраты на диагностирование). Накопле
ние аналитической информации по результатам диагностирования
позволяет отслеживать динамику изменения контролируемых па
раметров, что, в свою очередь, является необходимым для решения
задачи прогнозирования технического состояния узлов и систем ло
комотива.

3.9. Метод визуального контроля
Одним из наиболее распространенных методов обнаружения де
фектов в конструкции является визуальный осмотр. Чтобы расши
рить возможности проверки технического состояния цилиндров
дизеля, различных резервуаров, трубопроводов, необходимо исполь
зовать для этого оптические средства. К ним относятся эндоскопы,
перископические дефектоскопы, но наибольшее распространение
получают жидкие и гибкие эндоскопы.
Эндоскопия — метод технического диагностирования, применя
емый во время эксплуатации, при техническом обслуживании и
ремонте дизелей по их состоянию без или при минимальном объе
ме разборки. Задачами технической эндоскопии являются:
– определение технического состояния деталей, узлов и дизеля
в целом;
210

– прогнозирование технического состояния дизеля (оценка ве
роятности и времени возникновения отказов или неисправностей на
основании обнаруженных изменений в состоянии деталей и узлов);
– планирование вида и объема регулировок и технического об
служивания;
– определение объема и вида работ по восстановлению техни
ческого состояния дизеля и установление наиболее эффективных
способов устранения неисправностей.
Эндоскоп, с помощью которого человек получает около 70 % ин
формации, предназначен для визуального контроля состояния ка
меры сгорания, впускных и выпускных клапанов, поверхностей
поршня и цилиндра двигателя и других труднодоступных мест. Эн
доскоп — это оптический прибор, предназначенный для исследо
вания состояния поверхностей внутренних полостей дизелей и си
стем тепловоза. Он позволяет обнаружить трещины, износы, зади
ры, разрывы, коррозионноэрозионные разрушения деталей и уз
лов, отложения, инородные предметы и т.д. Этот прибор имеет
двухканальную оптическую систему. Первый канал — осветитель
ный — передает свет от вспомогательного блокаосветителя в ис
следуемый объем, полость и т.д. Второй канал — информационный
(смотровой), который строит изображение исследуемой поверхно
сти на сетчатке глаза оператора или на электронном приемнике
изображения (цифровая фото или видеокамера, телевизионный
приемник, монитор компьютера и др.). Основными характеристи
ками технических эндоскопов являются: диаметр и длина рабочей
части; угол направления наблюдения, который может плавно изме
няться в эндоскопах с качающейся призмой; угол поля зрения; раз
решающая способность; длина изгибающейся дистальной части.
Технические эндоскопы делят на несколько групп (жесткие, гиб
кие, полужесткие и видеоэндоскопы).
Жесткие эндоскопы (рис. 3.28) предназначены для визуального
контроля узлов, к которым возможен прямолинейный доступ. Пре
имуществом жестких эндоскопов является высокая разрешающая
способность (до 25 линий на 1 мм). В зависимости от того, какая
оптическая среда использована в информационном канале эндоско
па и в его конструкции рабочей части, в эндоскопе может исполь
зоваться линзовая, градиентная и стержневая оптика. Вся опти
ческая среда рабочей части эндоскопа заключена во внутреннюю
металлическую трубку из нержавеющей стали. Линзовые системы
211

Рис. 3.28. Устройство жесткого эндоскопа:
1 — поле зрения; 2 — объектив; 3 — передающие линзы; 4 — блок управления;
5 — окуляр; 6 — линзы окуляра; 7 — световод; 8 — подсветка

позволяют получить наивысшее разрешение и светосилу, дают воз
можность широко комбинировать оптические параметры (увели
чение, поле зрения, направление наблюдения и т.д.) для решения
конкретных задач диагностирования. Информационный канал же
стких эндоскопов на основе градиентной оптики состоит из гра
диентных объектива и оборачивающих систем, линзового окуляра.
Эндоскопы этой группы имеют более низкую, чем у линзовых эн
доскопов, разрешающую способность и контраст изображения. Воз
можности комбинирования оптических параметров ограничены.
Осветительный канал жесткого эндоскопа состоит из оптичес
кого волокна, которое расположено между двумя металлическими
трубками: наружной и внутренней.
Жесткие эндоскопы производства научнотехнического центра
«Оптические системы контроля» характеризуются четырьмя основ
ными параметрами:
– диаметр рабочей части: наиболее распространенные диаметры
рабочей части 1,7; 2; 2,7; 4; 6; 8 и 10 мм;
– длина рабочей части обычно находится в пределах от 100 до
1000 мм и изменяется с шагом 20—200 мм;
– угол направления наблюдения: основные углы направления
наблюдения — 0, 20, 45, 75, 90 и 110 градусов. Угол направления
наблюдения в эндоскопах с качающейся призмой может быть плав
но изменяемым — от 20 до 110 градусов;
212

– угол поля зрения, как правило, варьируется от 50 до 90 граду
сов. При этом необходимо учитывать, что увеличение поля зрения
приводит к уменьшению детализации, т.е. можно видеть много и
мелко или мало и крупно.
Гибкие эндоскопы (рис. 3.29) производства научнотехническо
го центра «Оптические системы контроля» используются для ви
зуального контроля состояния поверхностей узлов и деталей, к ко
торым невозможен прямолинейный доступ. Приборы этой группы
являются гибкими, подвижными, с управляемым дистальным кон
цом, хорошо передают свет и изображение, могут выполняться гер
метичными (рабочая часть эндоскопа защищена маслобензостой
кой резиной и специальным покрытием из нержавеющей стали —
гибкой металлической трубкой — флекстроном). Дистальная
часть содержит объектив, расположенный на максимальном уда
лении от окуляра и изгибающийся в одной или двух плоскостях.
Смотровой канал гибкого эндоскопа на основе волоконнооп
тического жгута состоит из: линзового (реже градиентного) объек

Рис. 3.29. Устройство гибкого эндоскопа:
1 — поле зрения; 2 — объектив; 3 — дистальная часть; 4 — волокно для переда
чи изображения; 5 — блок управления; 6 — окуляр; 7 — линзы окуляра; 8 —
коннектор подсветки; 9 — подсветка; 10 — изгибаемая часть

213

тива, регулярного волоконнооптического жгута, представляющего
собой пучок моноволоконных световодов диаметром 5—15 мкм с
полированными торцами, и линзового окуляра, имеющего диопт
рийную раздвижку для подстройки под уровень зрения контроле
раэндоскописта.
Канал для передачи света представляет собой светорассеиваю
щую линзу, вклеенную в головку прибора, волоконнооптический
жгут с нерегулярно уложенными волокнами толщиной 25 мкм. Кон
чик световолоконного жгута вмонтирован в специальный наконеч
ник, подключаемый к осветителю. Управляемый дистальный конец
изгибается в одной или двух плоскостях. Это определяется диамет
ром рабочей части или конструктивными требованиями, предъяв
ляемыми к эндоскопу. Обычно в эндоскопах с диаметром рабочей
части менее 6 мм изгиб осуществляется в одной плоскости, а в бо
лее крупных — в двух плоскостях. Угол изгиба лежит в пределах от
90 до 180°. К тому же эндоскопы производства научнотехническо
го центра «Оптические системы контроля» могут комплектоваться
насадками или объективами бокового наблюдения. При выборе
гибкого эндоскопа руководствуются двумя основными параметра
ми: диаметром и длиной рабочей части.
Полужесткие эндоскопы — приборы, рабочая часть которых на
ходится внутри флекстрона. Они также могут иметь управляемый
дистальный конец, изгибающийся в одной или двух плоскостях.
Видеоэндоскопы (рис. 3.30) предназначены для исследования
удаленных зон до 10 м. Отличительной особенностью этой группы
приборов является высокое качество изображения, которое дости
гается благодаря использованию ПЗСматрицы и разнообразных
оптических адаптеров. У видеоэндоскопов в системе передачи изоб
ражения вместо волоконнооптического жгута использована элек
троника. Это позволило повысить разрешающую способность при
боров и увеличить их длину.
Эндоскоп является основным, но не единственным прибором,
необходимым для проведения эндоскопических исследований. Для
качественного визуального контроля объектов необходимо хоро
шее освещение диагностируемой поверхности. Осветители для этих
целей могут быть галогеновыми, металлогаллоидными и ксеноно
выми. Для повышения контраста изображения и для ряда специ
альных задач в осветителях могут применяться лампы со специаль
214

Рис. 3.30. Устройство видеоэндоскопа:
1 — поле зрения; 2 — объектив; 3 — ПЗСматрица; 4 — кабель передачи инфор
мации; 5 — блок управления; 6 — монитор; 7 — блок преобразования сигнала;
8 — коннектор; 9 — подсветка; 10 — коннектор подстветки; 11 — изгибаемая часть

ными спектральными характеристиками или светофильтры для вы
деления необходимого спектрального диапазона.
В галогеновых осветителях используются лампы мощностью
100—150 Вт. Их недостатками являются высокое энергопотребле
ние при относительно низком световом потоке, малый срок служ
бы лампы (порядка 50 ч) и смещенный в желтую область спектр.
Металло'галлоидные осветители имеют лампу мощностью 24 Вт.
Они значительно дороже галогеновых, однако обладают рядом дос
тоинств и характеризуются низким энергопотреблением при све
товом потоке, сравнимом с потоком от галогеновой лампы мощ
ностью 200 Вт, длительным сроком службы лампы (до 600—800 ч),
спектральным излучением, приближенным к естественному бело
му свету.
Ксеноновые осветители применяются в мощных осветительных
системах. Их используют, если работы ведутся на больших расстоя
ниях до исследуемого объекта или необходимо обеспечить освеще
ние большого поля зрения при низкой отражающей способности
исследуемой поверхности.
215

Глава 4. МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ
Тепловозный дизель — один из основных и в то же время один
из самых ненадежных узлов тепловоза. Как показывает статистика,
на долю тепловозного дизеля приходится более чем сорок процен
тов отказов. Неисправность дизеля является причиной таких нега
тивных последствий, как повышенный расход дизельного топлива
и моторного масла, увеличение вредных выбросов в атмосферу, сни
жение мощности, закоксовывание выпускного тракта и лопаток тур
бокомпрессора и т.п. Устранение неисправностей дизеля обычно
связано с большими временными и материальными затратами. Свое
временное и качественное диагностирование технического состоя
ния узлов и деталей дизеля с последующим устранением обнару
женных неисправностей позволяет в значительной степени снизить
эти затраты. Именно поэтому разработке методов диагностирова
ния дизеля уделяется большое внимание. В настоящее время извест
но, разработано и применяется на практике несколько методов ди
агностирования технического состояния узлов и систем тепловоз
ного дизеля.

4.1. Функционально"параметрический контроль
и диагностирование
Параметрические методы диагностирования основаны на конт
роле и анализе значений термогазодинамических и других парамет
ров, измеряемых на работающем дизеле. К числу термогазодина
мических параметров относятся: давление, температура, скорость
течения, расход рабочих тел и др. При реализации параметричес
ких методов диагностирования контролируются и эксплуатацион
ные параметры: давление и температура топлива, моторного масла,
охлаждающей воды; перепады давления на фильтрах; разрежение в
картере дизеля; уровни вибрации и т.п.
216

Качество работы тепловозного дизеля в основном характеризу
ется качеством протекания рабочего процесса. Отклонения парамет
ров рабочего процесса от нормированных значений связаны, в пер
вую очередь, с возникшими неисправностями. Увеличение удель
ного расхода топлива, изменение температуры газов после цилинд
ров и максимального давления сгорания являются следствием таких
неисправностей, как снижение герметичности рабочей полости ци
линдра изза износа пары компрессионные кольца—цилиндровая
втулка, изменение угла опережения впрыска топлива, закоксовы
вание отверстий распылителей форсунки, уменьшение жесткости
пружины форсунки, износ плунжерной пары топливного насоса
высокого давления, снижение коэффициента избытка воздуха и т.п.
Разработка диагностических моделей при использовании парамет
рических методов предполагает установление зависимости между
значениями контролируемых параметров работы тепловозного ди
зеля и возможными причинами их изменения.
Параметрические методы контроля и диагностирования имеют
следующие основные особенности:
– необходимый перечень контролируемых параметров устанав
ливается с учетом конструктивных особенностей дизеля и его при
способленности к установке датчиков. Зачастую возникает необхо
димость локальной модернизации с целью организации мест для
установки измерительных модулей;
– съем информации осуществляется в рабочем режиме в про
цессе штатной эксплуатации дизеля, либо при проведении реостат
ных испытаний;
– параметрические методы диагностирования основаны на кон
троле быстродействующих процессов, поэтому процесс фиксации
контролируемых параметров должен быть автоматизирован;
– формирование результатов диагностирования связано с при
менением сложных математических моделей, поэтому обработка
получаемой диагностической информации должна быть реализова
на с применением компьютерных технологий.
Для обработки диагностической информации при параметри
ческих методах контроля применимы два подхода. Первый — когда
по измеренным значениям контролируемых параметров рассчиты
ваются параметры, определяющие техническое состояние дизеля.
Например, по максимальному давлению сжатия оценивается сте
217

пень износа пары цилиндровая втулка—компрессионное кольцо.
Второй — когда измеренные значения параметров сравниваются со
значениями этих же параметров, полученными на предыдущих ис
пытаниях, или с усредненными значениями; по результатам срав
нения рассчитываются отклонения контролируемых параметров,
по которым делается вывод о наличии неисправностей. Накопле
ние информации об изменении контролируемых параметров во
времени позволяет применить для целей диагностирования мето
дику анализа трендов.
В общем виде задача функциональнопараметрического диагно
стирования формулируется следующим образом: по установленным
абсолютным ∆xi и относительным δxi = ∆xi/xi отклонениям контро
лируемых параметров от эталонных значений необходимо опреде
лить абсолютные ∆Yi и относительные δYi отклонения параметров
технического состояния от номинальных значений.
К множеству параметров технического состояния можно отнес
ти угол опережения впрыска топлива ϕ, значение зазора в сопряга
емых деталях и износа, величину снижения КПД и т.п. К множе
ству диагностических параметров относятся максимальное давле
ние сгорания, процентное содержание химических соединений в
выхлопных газах, частота вращения ротора турбокомпрессора
(ТК), температура выхлопных газов после цилиндра, скорость вых
лопных газов в ресивере и т.д.
Для оценки технического состояния дизеля измеряют прямые и
косвенные параметры. Прямые параметры являются наиболее цен
ными, однако возможность их измерения без разборки ограничена.
Более просты в измерении косвенные параметры. При их измере
нии для обеспечения достаточной достоверности диагноза необхо
дим анализ большого числа таких параметров, так как изменение
одних и тех же косвенных параметров связано с изменением техни
ческого состояния различных узлов дизеля (табл. 4.1).
Для реализации функциональнопараметрического диагностиро
вания используются встроенные и стационарные системы контро
ля диагностических параметров. Наиболее качественная информа
ция поступает от встроенных систем контроля, которые фиксиру
ют изменение параметров с учетом влияния множества случайных
факторов и режимов работы дизеля. Ограничение возможностей
таких систем связано, в первую очередь, с целесообразным ограни
218

чением их стоимости. Стационарные системы диагностирования
обладают большими возможностями, позволяют контролировать
большее число параметров, однако в деповских условиях невозмож
но смоделировать все возможные варианты и диапазоны измене
ния контролируемых параметров, что оказывает негативное влия
ние на формирование уровня достоверности диагностирования.
Таблица 4.1
Связь неисправностей с изменением контролируемых параметров

Примечание: Рс — давление сжатия;  — суммарный коэффициент избытка
воздуха; Рz — максимальное давление сгорания; Tz — максимальная темпера
тура цикла; Рi — среднее индикаторное давление; Тпр — температура проду
вочного воздуха; gi — удельный индикаторный расход топлива; Tг — темпера
тура отработавших газов.

К стационарным системам диагностирования тепловозного ди
зеля можно отнести системы автоматизации реостатных испытаний,
такие как «КИПАРИС», «МАГИСТРАЛЬ», «АЛМАЗ», «АРАМИС»,
а также переносное устройство диагностирования топливной аппа
ратуры «ДЭСТА».
Комплекс «КИПАРИС» (г. Омск) предназначен для автоматизи
рованного управления нагрузочным реостатом и дизельгенератор
ной установкой тепловоза с непрерывным отслеживанием тока на
грузки, напряжения и мощности тягового генератора путем провер
ки на соответствие полю допуска по позициям контроллера маши
ниста с учетом атмосферных параметров, частоты вращения
коленчатого вала дизеля при установленной позиции контроллера
машиниста, температуры воды и масла, давления масла и топлива.
Комплекс выполняет следующие функции:
1. Контроль параметров автоматической системы регулирования
мощности тягового генератора:
– ток возбуждения тягового генератора;
219

– токи в обмотках возбуждения возбудителя;
– напряжение вспомогательного генератора;
– напряжение возбудителя;
– сигналы о срабатывании реле переходов.
2. Диагностирование дизеля:
– контроль и настройка частоты вращения коленчатого вала ди
зеля;
– контроль распределения нагрузки по цилиндрам дизеля (тем
пература выпускных газов, максимальное давление сгорания в ци
линдре).
3. Диагностирование топливной аппаратуры дизеля:
– определение угла опережения впрыска топлива по топливным
насосам высокого давления (ТНВД);
– определение хода иглы форсунки;
– определение параметров впрыска топлива (темп подачи топ
лива, длительность впрыска, наличие подвпрысков).
4. Диагностирование узлов и агрегатов газовоздушного тракта
дизеля:
– фильтра непрерывного действия;
– компрессора и турбины ТК;
– воздухоохладителя.
5. Определение степени закоксованности выпускных окон.
6. Анализ характеристики протекания рабочего процесса по ин
дикаторной диаграмме.
7. Оптимизация настройки дизельгенераторной установки (ДГУ)
тепловоза на наибольшую экономичность в эксплуатации — конт
роль и настройка изодромного механизма регулятор частоты обо
ротов (РЧО).
8. Автоматический контроль вредных выбросов в атмосферу без
привлечения оборудования поста экологического контроля.
9. Беспроводная связь между мастером реостатных испытаний
за пультом управления комплексом и слесарем, находящимся в ку
зове тепловоза при работе ДГУ тепловоза.
10. Ведение архива результатов реостатных испытаний.
11. Формирование отчетных документов.
Для контроля параметров работы ДГУ предварительно устанав
ливаются следующие датчики: датчик частоты вращения коленча
того вала, вибродатчики контроля состояния топливной аппара
220

туры, датчик частоты вращения ротора ТК, термопары ТХК 9420
09ИЭ для контроля температуры выхлопных газов по цилиндрам,
датчики давления и температуры наддувочного воздуха, датчики
температуры и давления выхлопных газов перед турбиной, датчик
выхода реек ТНВД, датчики температуры воды и масла дизеля, дат
чики давления масла и топлива, датчик положения иглы форсунки,
Комплекс «Магистраль» (ЗАО «ТехтрансД», г. СанктПетербург)
предназначен для автоматического диагностирования и прогнози
рования технического состояния магистральных тепловозов при
проведении их реостатных испытаний. Технические средства ком
плекса «Магистраль» организованы таким образом, чтобы макси
мально облегчить и упростить технологический процесс обследова
ния дизеля, в том числе сократить длительность этого процесса. На
рис. 4.1 представлена структурная схема комплекса.
В частности, в диагностическом комплексе применен выносной
сборщик информации — измерительновычислительная подстанция

Рис. 4.1. Структурная схема аппаратной части комплекса «Магистраль»:
ЛСБИ — локальная станция быстротекущих измерений; ДД1—ДД16 — датчи
ки давления в цилиндре; ДВ1—ДВ16 — датчики вибрации (акселерометры); ДТ —
датчик тока; ДН — датчик напряжения; МОМ — модуль определения мощнос
ти; БСУ — блок сопряжения и управления; ИД — индикаторная диаграмма;
ПК — персональный компьютер

221

из двух независимых модулей — статического (медленных измере
ний) и динамического (быстрых измерений), которые располагаются
непосредственно на дизеле. Здесь же происходят усреднение и пер
вичная обработка измерительной информации, после чего уже в
цифровом виде она передается в управляющий персональный ком
пьютер, установленный в помещении реостатной станции, где ра
ботает оператор.
Наиболее технологически совершенным является модуль изме
рения динамических параметров. Он обеспечивает контроль быст
ротекущих процессов — рабочего давления в цилиндрах дизеля, ре
зультаты которого представляются в развернутых индикаторных
диаграммах, а также в синхронных, наложенных на рабочий про
цесс, виброграммах впрыска топлива в соответствующий цилиндр.
При этом выделяются и анализируются виброимпульсы начала и
конца топливоподачи, а также работы клапанов газораспределе
ния, ударов перекладки поршней и «звучания» поршневых колец в
случае сухого трения. Кроме того, в перечень контролируемых
признаков входит группа статических параметров, характеризую
щих работу газовоздушного тракта (ГВТ) дизеля (давления и их пере
пады — датчики типа «Сапфир», КРТ, «ТИМОС»), температуры
рабочих сред (платиновые и медные терморезисторы ГСП, ТСМ),
мощностные показатели дизельгенератора (ток, напряжение, час
тота вращения), параметры розетки реостатных испытаний.
Вся динамическая информация собирается одновременно по
всем цилиндрам с помощью высокотемпературных (до 700 С) не
охлаждаемых датчиков давления, устанавливаемых на индикатор
ные краны (совместная разработка фирмы «Гарант» и ЗАО «Тех
транс»), а также накладных виброакселерометров типа ЛВС, кото
рые крепятся на топливные трубки высокого давления перед фор
сунками. Быстротекущие процессы разворачиваются по углу
поворота коленчатого вала с шагом 0,7, обеспечивая виртуальную
привязку внутренней мертвой точки (ВМТ) по зубчатому венцу ва
лоповоротного механизма. При этом четко фиксируются характер
ные фазы протекания рабочего цикла: процессов сжатия, сгорания
и расширения, углы регулировки топливной аппаратуры и клапан
ного механизма газораспределения.
По параметрам рабочего процесса автоматически определяются
следующие виды неисправностей и разрегулировок, например, в
222

топливной аппаратуре и цилиндропоршневой группе дизеля или
клапанах газораспределения:
– общая неисправность форсунки (некачественное смесеобра
зование и горение топлива);
– поздний или ранний впрыск топлива (с указанием величины
угла запаздывания или опережения — неисправность форсунки либо
разрегулировка насосов ТНВД;
– утечка заряда из надпоршневого пространства цилиндра;
– начальная стадия отказа форсунки (как правило, это умень
шение проходного сечения сопловых отверстий, но еще неполное
их закоксовывание), что не требует немедленного вмешательства,
но должно быть объектом повышенного внимания в последующей
эксплуатации;
– перегрузка или недогрузка цилиндра по цикловой подаче топ
лива (неисправность и нарушение регулировки насосов ТНВД);
– закоксовывание сопловых отверстий форсунки;
– отказ насосов ТНВД или разгерметизация системы впрыска;
– повышенный износ пары поршень—втулка цилиндра;
– нарушение герметичности (возможно прогар) выпускных кла
панов;
– повышенный шум работы впускных клапанов;
– преждевременное или запоздалое закрытие впускных клапа
нов (с указанием величины смещения в градусах поворота коленча
того вала);
– несинхронность работы впускных клапанов;
– повышенный шум работы выпускных клапанов;
– преждевременное или запоздалое закрытие выпускных и впуск
ных клапанов (с указанием величины смещения в градусах поворо
та коленчатого вала);
– несинхронность работы выпускных клапанов;
– рабочий процесс в цилиндре реализуется с отклонениями от
нормы.
Выявляются также следующие недостатки в газовоздушном
тракте дизеля:
– ухудшение общего технического состояния ГВТ (уменьшение
коэффициента избытка воздуха и общее снижение качества возду
хоснабжения, а также газообмена дизеля, вызывающее его терми
ческую перегрузку и перерасход топлива;
223

– неудовлетворительное состояние проточной части наддувоч
ного компрессора и воздухоохладителя (предельный уровень загряз
нений, повышенные зазоры в улитке, деформация лопаток рабоче
го колеса, диффузора). При параллельной схеме наддува правый и
левый компрессоры диагностируются отдельно, а при последова
тельной схеме отдельно контролируются первая и вторая ступени
наддува;
– ухудшение технического состояния газовых турбин ТК (закок
совывание проточной части, снижение КПД, рост механических
потерь);
– снижение качества очистки и газообмена проточной части
цилиндров дизеля в целом, что при нормальном противодавлении
на выпуске свидетельствует о снижении пропускной способности
органов газораспределения (окна, клапана, фазы газообмена);
– ухудшение технического состояния выхлопного трубопровода
за турбиной, включая глушитель;
– загрязнение воздушных фильтров на всасывании.
Также автоматически проверяется качество настройки агрегатов
и узлов дизельгенератора, осуществляется контроль цепей элект
рической схемы тепловоза и настройка частоты вращения двигате
ля и ее стабильности на всех позициях контроллера, а также:
– настройка селективной и внешней характеристик ДГУ генера
тора;
– контроль токов включения и отключения реле переходов;
– контроль параметров системы автоматического регулирования
(САР) возбуждения главного генератора.
Сообщение о каждой выявленной неисправности сопровожда
ется перечнем конкретных рекомендаций по их устранению вплоть
до указания, например, на сколько градусов нужно изменить угол
опережения впрыска, чтобы привести цилиндр в норму. При этом
диагностируются как единичные дефекты, так и их комбинации,
число которых практически можно считать бесконечным.
Результаты диагностирования представляются в наиболее дос
тупном для восприятия графическом виде с изображением конт
ролируемых узлов, цветовыделением, наложением индикаторных
диаграмм каждого цилиндра на эталонный процесс и понятным тек
стовым сопровождением. Кроме того, комплекс предлагает боль
шую информацию в виде таблиц, графиков различных процессов,
224

гистограмм распределения полученных данных по цилиндрам. При
чем могут быть представлены как измеренные, так и расчетные зна
чения максимального давления сгорания, среднего индикаторного
давления, фаз впрыска, точки отрыва, максимальной жесткости сго
рания и многие другие. Эта совокупность признаков, зафиксиро
ванная и представленная в едином сечении времени (что исключа
ет влияние изменений нагрузки), предусматривает возможность
получения независимой экспертной оценки технического состоя
ния того или иного узла. Представлена возможность занесения та
кой оценки в архив.
При диагностическом анализе оценивается степень развития не
исправности и в зависимости от этого варьируются объем восста
новительных работ и рекомендуемые меры по техническому обслу
живанию. Первый, предупредительный уровень отклонений техни
ческого состояния от нормы характеризуется тем, что он уже не со
ответствует исходному, однако не достиг еще предельно аварийного.
При этом такой объект выделяется фиолетовым цветом. Его даль
нейшая эксплуатация, как правило, еще возможна, но при повы
шенном внимании к текущему состоянию.
Изменения технического состояния всех перечисленных объек
тов оцениваются количественно (в процентах от исходного) при
любых комбинациях неисправностей. В качестве базы сравнения
при оценке отклонений могут быть выбраны различные уровни эта
лонов исходного технического состояния:
– сравнение с идеальным дизелем, техническое состояние кото
рого соответствует новому, полностью отрегулированному;
– сравнение с отлаженным дизелем при отсутствии эксплуата
ционных загрязнений и износов.
В настоящий момент в ЗАО «Техтранс» работают над значитель
ным расширением функциональных возможностей комплекса ди
агностики и настройки (КДН) «Магистраль». Сюда можно отнести
проблемы совершенствования алгоритмов прогнозирования СКД
ДГУ «АЛМАЗ».
В конце 90х гг. ХХ в. группой инженеровдизелистов Ярослав
ского моторного завода (ЯМЗ) и Северной железной дороги были
созданы — и внедрены в ряде тепловозных депо — компьютеризи
рованные комплексы «АЛ030» и «АЛ930» для настройки топлив
ной аппаратуры тепловозных ДГУ. Вариант 03004 включал в себя
225

революционную по тем временам возможность программного уп
равления всеми стадиями реостатных испытаний тепловоза, т.е. сов
мещал в себе не только систему диагностирования, но и полноцен
ный пульт управления испытаниями. В некоторых депо эти систе
мы до сих пор являются работоспособными, несмотря на значитель
ный физический и моральный износ. В развитие СКД «АЛ030» в
2002—2003 гг. был сконструирован новый комплекс, получивший
название «АЛМАЗ».
СКД «АЛМАЗ» предназначен для производства всех видов ис
пытаний дизелей и ДГУ семейств Д100, Д49, 310DR, Д50, Д70, Д40
(последние три типа — после соответствующей настройки ПО и
адаптации системы). Система построена по модульному принципу
и состоит из ПК, базового блока, набора измерительных блоков и
блоков управления объектами, а также набора первичных преобра
зователей. Варианты поставки: стационар, портативная система и
бортовой комплекс.
Основные функции системы зависят от варианта поставки (см.
табл. 4.2). Система является наращиваемой.
Таблица 4.2
Функции СКД «АЛМАЗ»

226

Блоки, включая базовый, можно каскадировать (второй базо
вый блок работает по синхронизирующим импульсам первого). Для
оперативной проверки работоспособности каналов базового блока
в комплект поставки обязательно включается тестимитатор сигна
лов. Система обеспечивает индикацию измеряемых параметров на
дисплее как в реальном времени, так и в виде диаграмм, гистограмм
и таблиц. Кроме того, программное обеспечение позволяет вести
электронный архив.
Базовый блок — это специализированная многоканальная мик
ропроцессорная система, которая преобразует первичные сигналы.
Двухсторонняя связь ББ и ПК осуществляется посредством интер
фейса Ethernet (10 Мб/с). Соединительный кабель имеет стандарт
ную распайку.
Блоки БТ, БУР, БУД, БПГГ и БПСВ связаны с ПК через преоб
разователь интерфейса RS422/485Ethernet (DE334 или аналог) и
далее через коммутатор (DES1005D или аналог). В этом случае блок
ББ также подключен к коммутатору. Преобразователи сигналов —
свои для каждого блока.
Набор датчиков, способы их установки и применяемые методы
снятия и обработки полученных данных такие же, как в системе
АЛ030. В частности, датчик оборотов может быть как индуктив
ным, так и оптическим. Для коррекции угла ВМТ (т.е. для синхро
227

низации измерений) применяется либо ручной способ, либо кор
ректировка по давлению сжатия в одном из цилиндров с помощью
датчика (в этом случае значение «угол ПКВ» появляется автомати
чески).
Для снятия фазовоамплитудной характеристики впрыска при
меняются пьезодатчики типа ДД10, устанавливаемые на трубку
высокого давления пары насос—форсунка. Каждый датчик со сво
им шлейфом откалиброван на свой канал ББ. Снятие кривой дав
ления впрыска производится синхронно с предустановленным по
рядком работы цилиндров. Достоинство данного метода в том, что
датчик, крайне дешевый в изготовлении, одинаково хорошо «слы
шит» и плунжер ТНВД, и иглу форсунки. Недостаток — повышен
ные требования к месту установки (кривая, ржавая или закрашен
ная трубка высокого давления нарушает «чистоту» картинки) и низ
кая надежность самого датчика (пьезопленка легко разрушается под
действием разных факторов: песчинка в месте установки, течь топ
лива по трубке и т.п.).
Датчики оборотов ТК — индуктивного типа без внутреннего
подмагничивания, для их установки применяются специальные
цанги, намагниченный участок на роторе создается сильным по
стоянным магнитом. Для ТК дизелей типа Д49 применяется датчик,
имеющий внутреннее подмагничивание.
Датчики температуры — стандартные тепловозные. Термопары —
стандартные типа ТХА, отличаются наличием в клеммных короб
ках платы усилителяпреобразователя. Каждая термопара со шлей
фом откалибрована, как и датчики топливной аппаратуры (ТА), на
свой канал. Датчики давления в системах — ввинчиваются в штат
ные штуцеры вместо тепловозных с помощью сменных адаптеров.
Расходомеры (подача и слив в бак) — турбинного типа, плотность
топлива задается вручную, температура топлива снимается со встро
енного датчика.
Датчик типа МИД, как и его аналог в СКД «КИПАРИС», очень
чувствителен к перегреву и для снятия индикаторной диаграммы
номинального режима практически непригоден. Используется он
для снятия диаграммы и оценки равномерности работы цилиндров
в режимах частичных нагрузок, а также для синхронизации изме
рений при проведении диагностики ТА, остаточного ресурса, рас
ширения перечня контролируемых объектов и увеличения глубины
228

их диагностирования. Разработанное программное обеспечение
как автоматического диагностирования, так и прогнозирования
технического состояния двигателей, а также модульная структура
аппаратных средств универсальны и могут быть реализованы для
любых типов дизелей. Проводятся исследования по возможности
совмещения комплекса с топливным расходомером.
Комплекс «ОКО!АРАМИС» (ООО НПО «ОМИКС» г. Омск) пред
назначен для производства реостатных испытаний тепловозов в
полном объеме и в автоматизированном режиме управления нагру
зочным реостатом и тепловозом. Комплекс представляет собой бес
проводную аналогоцифровую информационноизмерительную
систему с возможностью аналитической обработки и долговремен
ного хранения информации. В комплексе реализованы следующие
функции:
– автоматическая постановка диагноза и выдача рекомендаций
по настройке системы автоматического регулирования мощности
ДГУ, систем и агрегатов дизеля (распределение нагрузки по цилин
драм, газовоздушного тракта, топливной аппаратуры, РЧО);
– ведение архива по результатам испытаний всех локомотивов
парка депо;
– оперативного доступа к базе данных испытаний посредством
сети ИНТЕРНЕТ/ИНТРАНЕТ.
Контролируемые параметры: токи тягового генератора, обмотки
возбуждения тягового генератора, намагничивающей и размагни
чивающей обмоток возбуждения возбудителя, задающей, управля
ющей и регулировочной обмоток амплистата возбуждения, незави
симой и шунтирующей обмотки возбуждения возбудителя, возбуж
дения возбудителя, трансформатора постоянного тока, управляющей
обмотки магнитного усилителя блока возбуждения возбудителем;
напряжения тягового генератора, вспомогательного генератора, син
хронного подвозбудителя, блока задания возбуждения возбудите
ля, СИД, уставки канала мощности; частота вращения коленчатого
вала дизеля и турбокомпрессора; термоЭДС по цилиндрам дизе
ля и перед турбиной турбокомпрессора; температура в ГВТ дизеля,
температура воды и маслв на выходе из дизеля, температура окру
жающей среды; давление в ГВТ, давление топлива и масла; подъем
иглы форсунки; позиция контроллера машиниста; разряжение на
всасывании.
229

Для технического контроля и диагностирования состояния топ
ливной аппаратуры и газовоздушного тракта основных типов дизелей
предназначено переносное устройство ППРФ!3 «ДЭСТА» (НИИТКД
г. Омск) со следующими функциональными возможностями:
– диагностирование без постановки локомотива на реостат (воз
можно диагностирование «на ходу») с минимальным набором лег
ко устанавливаемых датчиков;
– комбинированное питание;
– возможность формирования электронной базы данных.
Технические характеристики ППРФ!3 «ДЭСТА»
Частота вращения вала дизеля, об/мин ..................................... 200—1000
Частота вращения вала турбокомпрессора, об/мин .............. 200—24 000
Положение иглы форсунки, мм ......................................................... 0—1,0
Давление в газовоздушном тракте, кПа .......................................... 0—200
Разрежение в газовоздушном тракте, кПа ........................ 0 —10 (0—300)
Температура в газовоздушном тракте, °С ....................................... 0—600

4.2. Диагностирование состояния деталей ЦПГ и КШМ
Элементами дизеля, лимитирующими межремонтный пробег теп
ловоза, связанный с разборкой, являются детали цилиндропоршне
вой группы (ЦПГ) и кривошипношатунного механизма (КШМ).
Сложность безразборной оценки их технического состояния опре
деляется конструктивными особенностями дизеля — детали не име
ют прямого доступа. Самым надежным и достоверным способом
оценки технического состояния деталей ЦПГ и КШМ является их
непосредственный осмотр и обмер. Однако эти операции требуют
частичной или полной разборки дизеля. Наиболее эффективным и
приемлемым является подход к оценке технического состояния де
талей без разборки дизеля, однако достоверность получаемых ре
зультатов при этом снижается.
Эффективным считается оптический метод. В настоящее время
в арсенале технологических средств ремонта имеются жесткие и
гибкие эндоскопы, позволяющие оперативно оценить состояние
скрытых поверхностей, таких как внутренняя поверхность цилинд
ровой втулки, днище поршня, впускные и выпускные окна, впуск
ные и выпускные клапаны. В настоящее время разрешающая спо
собность таких устройств позволяет выявить даже незначительные
дефекты рабочих поверхностей. С помощью эндоскопов можно ос
230

матривать все узлы дизеля, но особенно эффективны они при ос
мотре внутренних полостей цилиндров.
Эндоскопы бывают двух типов: жесткие (линзовые) и гибкие (во
локонные). Все элементы линзового эндоскопа размещены в кор
пусе цилиндрической формы. На корпусе имеется шкала, позволя
ющая определить местоположение дефекта по длине. Линзовыми
эндоскопами можно обнаружить дефекты (царапины, трещины,
коррозионные повреждения) размером 0,03—0,08 мм в изделиях ди
аметром 5—80 мм и длиной до 10 м. Волоконные эндоскопы позво
ляют передавать изображение без искажения при их изгибе по лю
бому криволинейному профилю, но они уступают линзовым по ка
честву изображения, имеют значительные потери изза поглощения
сигнала стеклом и отражения на торцах, меньшее поле зрения и раз
решающую способность. Применение эндоскопов позволяет полу
чать такие результаты, которые не давали существующие методы.
Технические эндоскопы дополняют функциональное диагностиро
вание, диагностирование по данным спектрального анализа масла
и другими методами и повышают глубину поиска неисправностей
и достоверность диагностирования, что существенно снижает ве
личину ремонтных затрат.
Все физические процессы в дизеле сопровождаются колебания
ми. Работа шатуннокривошипного механизма, топливоподающей
системы, газораспределительного механизма приводит к формиро
ванию вибросигналов. Для оценки состояния деталей ЦПГ и КШМ
разрабатываются и внедряются методы диагностирования по виб
роакустическим параметрам, в основу которых положено фикси
рование и соответствующая обработка параметров вибрации, воз
никающей от соударения в исследуемых сопряжениях. В качестве
информативного сигнала принимается ударный импульс, возника
ющий при перекладке поршня, параметры которого зависят от ве
личины зазора втулка—поршень.
Использование виброакустических методов диагностирования
сопряжено, как правило, со значительными трудностями, связан
ными с необходимостью выделения полезного информативного
сигнала на фоне общих шумов и с применением сложной, дорогос
тоящей измерительной и анализирующей аппаратуры. Применение
таких сложных устройств несколько уменьшает влияние субъектив
ных факторов, но, тем не менее, не всегда гарантирует получение
231

точных данных, соответствующих фактическому состоянию двига
телей. Кроме того, требуется отвлечение тепловоза из эксплуатации
для проведения испытаний.
При оценке степени износа сопряжения цилиндровая втулка—
компрессионное кольцо—поршень наиболее информативным диа
гностическим параметром является вибросигнал при перекладке
поршня в внутренней мертвой точке. В момент удара действует воз
мущающая сила, которая вызывает упругие колебания (вибросиг
нал). Параметры этого вибросигнала будут зависеть от скорости
столкновения, т.е. от величины зазора в сопрягаемой паре. Для оцен
ки суммарного износа сопряжения цилиндровая втулка—компрес
сионное кольцо—поршень для каждого типа дизеля необходимо
провести предварительные исследования и установить параметры
вибросигнала на установленных режимах работы дизеля для неиз
ношенного и изношенного дизеля.
Простым в применении для интегральной оценки технического
состояния деталей ЦПГ является метод, основанный на контро
ле герметичности рабочего объема. Метод реализуется следую
щим образом. В цилиндр подается воздух через дроссельную шай
бу (рис. 4.2), на которой поддерживается постоянный перепад

Рис. 4.2. Принципиальная схема оценки герметичности рабочей полости
цилиндра дизеля

232

давлений ∆Р = Р2 – Р1. Давление в цилиндре Р1 является сравни
тельным интегральным показателем состояния ЦПГ.
Поршень устанавливают в ВМТ при закрытых впускных и вы
пускных клапанах. Воздух из баллона под давлением 0,6—0,8 МПа
подводят к игольчатому клапану 3. Назначение клапана — устано
вить перепад давления ∆Р = 0,15 МПа на дроссельной шайбе 4.
О герметичности ЦПГ судят по показаниям манометра 2. Давление
Р1, измеряемое манометрам 1, является сравнительным параметром,
который изменяется от 0,3 до 0,6 МПа при хорошем состоянии ЦПГ,
от 0,15 до 0,3 МПа при удовлетворительном состоянии и от 0 до
0,15 МПа при неудовлетворительном.
Наиболее универсальным для оценки технического состояния
двигателя внутреннего сгорания (ДВС) является метод, основанный
на контроле текущих значений концентрации продуктов изнаши
вания в моторном масле. В процессе работы дизеля в моторном
масле накапливаются продукты изнашивания, поступающие с раз
личных деталей, что делает моторное масло ценнейшим носителем
информации о техническом состоянии деталей. Универсальность
метода, возможность проведения диагностических операций без
отвлечения тепловоза из эксплуатации делает этот метод наиболее
приемлемым для организации процесса непрерывного контроля и
оценки степени изношенности лимитирующих деталей дизеля в
процессе эксплуатации.
Оценка технического состояния деталей двигателя внутреннего
сгорания по результатам спектрального анализа моторного масла
предполагает использование различных алгоритмов и моделей диа
гностирования.
В настоящее время действующим ГОСТ 2075990 «Техническое
диагностирование и прогнозирование остаточного ресурса методом
спектрального анализа масла» установлена методика оценки техни
ческого состояния деталей двигателя, основанная на реализации
вероятностного алгоритма. Вероятность появления события при
условии проявления признака рассчитывается по формуле Байесса

P ( A/B ) =

P ( A )P (B /A )
,
P ( A )P ( A/B ) + P ( A )P (B /A )

где А — символ отказа;
A — символ отсутствия отказа;

233

В — признак;
Р ( А ), Р ( A ) — вероятности состояния объекта контроля;

Р ( A/B ), Р (B /A ), Р (B /A ) — условные вероятности состояний и появления
признака.

Оценкой эффективности параметров в байесовской модели слу
жит так называемое отношение правдоподобий



P (B /A )
.
P (B /A )

Система распознавания вычисляет линейную функцию отноше
ния правдоподобия
n

(Z )   i ,
i 1

i 

P (Z1k /X 1j )
P (Z 2k /X 2j )

и сравнивает результаты с порогом
К j  gi

P (X 2j )
P ( X 1j )

,

где Р(Х1) — априорная вероятность нахождения объекта в состоянии 1 (состо
яние нормы);
Р(Х2) — априорная вероятность нахождения объекта в состоянии 2 (состо
яние отказа);

P (Z1k /X 1j ) — вероятность признака k параметра i при условии нахождения

объекта j в состоянии 1 (состояние нормы);

P (Z 2k /X 2j ) — вероятность признака k параметра i при условии нахождения
объекта j в состоянии 2 (состояние отказа);

P ( X 1j ) — вероятность нахождения объекта j в состоянии 1;

P ( X 2j ) — вероятность нахождения объекта j в состоянии 2;
gj — пороговый коэффициент для объекта j.

234

Состояние деталей оценивается по диагностическому коэффи
циенту
m

D=

j

∑ aik1

k =1
m

n

⋅∏

j2 i =1

∑ aik

k =1

j

m

j

ai 1 ⋅ ∑ ai 2
k

j2

k =1
m

k

k =1

k

ai ⋅ ∑ ai
k

,

j1

j

где a 1 — число случаев, когда jй узел (или деталь) дизеля находится в состо
i
k

янии норма (1) при нахождении iго параметра в kм диапазоне значений.
j

ai 2 — то же, когда jй узел находится в состоянии отказа (2);
k

j — контролируемая неисправность узла (или детали) дизеля;
i — диагностический параметр;
n — число диагностических параметров;
k — значение диагностического параметра (k = 1…m);
m — число диапазонов значений iго параметра.

Вычисленное значение диагностического коэффициента долж
но сравниваться с соответствующими порогами Kj различных уров
ней. Управляющие команды вырабатываются по результатам срав
нения:
Dj ≥ Kj1— узел находится в состоянии норма (1);
Kj1 > Dj ≥ Kj2 — узел находится в состоянии отказа (2) первого
уровня;
Kj2 > Dj ≥ Kj3 — узел находится в состоянии отказа (2) второго
уровня;
Dj < Kj3 — узел находится в состоянии отказа (2) третьего уров
ня.
Эта модель реализована в задаче диагностирования тепловоз
ных дизелей и роликовых букс локомотивов, применяемой на Се
верной железной дороге. Использование такого подхода при ди
агностировании тепловозных дизелей предполагает предваритель
ное формирование диагностической матрицы, содержащей по
рядка 4000 реализаций по тридцати параметрам. В табл. 4.3 при
ведены ориентировочные предельные значения концентрации
продуктов износа в моторном масле для различных дизелей.

235

Таблица 4.3
Предельные значения концентрации

В числителе концентрация соответствует первому пороговому
значению К1, в знаменателе — второму К2. Предварительно техни
ческое состояние деталей дизеля оценивается следующим образом:
если текущее значение концентрации продуктов износа К ≥ К1, то
состояние нормальное; при концентрации К > К1, но К ≥ К2 — со
стояние неудовлетворительное; при К > К2 — состояние аварийное.
В процессе эксплуатации динамика значения концентрации
продуктов изнашивания имеет случайный характер, обусловлен
ный влиянием таких факторов, как скорость поступления про
дуктов изнашивания в моторное масло, скорость угара или потерь
масла, периодичность и количество доливов масла, периодичность
браковок и смен масла (рис. 4.3). Совокупное влияние этих факто
ров приводит к тому, что текущее значение концентрации продук
тов износа в значительном большинстве случаев не отражает дей
ствительного технического состояния деталей дизеля.
Методика оценки степени износа деталей ЦПГ и КШМ дизеля
должна основываться на последовательном решении следующих
задач: расчет накопленного значения концентрации продуктов из
нашивания в моторном масле с учетом действия случайных факто
ров и расчет количества изношенного металла с контролируемых
деталей; распределение полученных объемов износа по группам
контролируемых деталей и расчет текущих размеров деталей.
На рис. 4.4 представлена схема массообмена продуктов изнаши
вания и моторного масла в тепловозном дизеле. В начальный мо
мент в картере дизеля находится объем моторного масла Q0. В про
236

Рис. 4.3. Динамика текущего значения концентрации продуктов изнашивания:
К1—К6 — текущие значения концентрации; L0—L6 — наработка

цессе эксплуатации дизеля в картер начинают поступать продукты
изнашивания с деталей g, формируя текущий уровень концентра
ций в моторном масле K.
Работа масляных систем тепловозов предполагает интенсивный
процесс циркуляции масла по системе. Так, на тепловозе серии ТЭ10

Рис. 4.4. Схема массообмена в картере дизеля:
qт — поступление топлива в масло; qд — доливы масла; qсм — смена масла; g —
поступление продуктов износа; gу — потери продуктов износа с моторным мас
лом, выгоревшим в камере сгорания; gсм — потери продуктов износа со сменой
масла; gф — продукты износа, задержанные системой очистки; gо — продукты
износа, формирующие текущее значение концентрации

237

при количестве масла 1,5 т за один час весь объем масла совершает
порядка 70 циклов. Исходя из существующих параметров масляных
систем, можно с уверенностью утверждать, что продукты изнаши
вания равномерно распределены в объеме масла. Анализ процесса
взаимодействия продуктов изнашивания и моторного масла позво
ляет сделать вывод, что удаление продуктов изнашивания из мас
ляной системы происходит следующим образом: с маслом через
камеру сгорания (выгорание масла), с потерями масла через неплот
ности, часть оседает на стенках картера и трубопроводов, часть от
фильтровывается системой очистки (ФТОМ, ФГОМ, ЦФ), часть
удаляется из системы с объемами масла, сливаемыми из системы
при браковках.
В локомотивных депо налажена система учета горючесмазоч
ных материалов с отнесением их расхода на конкретный локомо
тив. Информация фиксируется в химикотехнических лаборатори
ях и на складах ГСМ.
В качестве исходных данных в модели накопления продуктов
изнашивания в моторном масле принимаются текущие значения
концентрации, количество и объемы доливов и смен масла, нара
ботка дизеля. Весь период контроля разбивается на интервалы с
контрольными точками отбора проб масла. По каждому интервалу
рассчитывается количество металла, изношенного с деталей дизеля
и попавшего в моторное масло. Процесс формирования уровня
концентрации в моторном масле определяется соотношением ко
личества поступающих продуктов изнашивания в масло и количе
ством отфильтрованного в процессе эксплуатации. Очистка мотор
ного масла представляет довольно сложный процесс, обусловлен
ный постоянно изменяющимися параметрами как самого масла, так
и элементами очистки. Загрязнение фильтрующих элементов, пе
риодическая их очистка и замена на новые, в конечном итоге, ока
зывают влияние на формирование текущего значения коэффици
ента очистки масла в системе. При периодическом восстановлении
первоначального объема масла в системе процесс формирования
уровня концентрации продуктов износа хорошо описывается лога
рифмической зависимостью (рис. 4.5).
В [6, 53, 54] рассмотрены процессы накопления продуктов из
носа в моторном масле дизелей. В качестве исходной модели при
238

Рис. 4.5. Динамика концентрации продуктов изнашивания при периодичес
ком доливе

нято дифференциальное уравнение, характеризующее процесс при
ращения концентрации за элементарный период:

(

)

dk g − qп + q д + qm k
=
,
dt Q − q − q − q t
0
у
д
m

(

)

(4.1)

где k — концентрация примесей в масле, кг/кг;
g — интенсивность поступления примесей в масло, кг/ч;
qд — интенсивность долива масла в картер, кг/ч;
qm — интенсивность поступления несгоревшего топлива в масло, кг/ч;
Q0 — начальный объем масла в картере, кг;
qп = qмηм — приведенная интенсивность циркуляции масла в маслоочис
тителе, кг/ч;
qм — интенсивность циркуляции масла в маслоочистителе, кг/ч;
qу — интенсивность угара масла, кг/ч;
ηм — коэффициент полноты отсева.

После решения уравнение (4.1) принимает вид
X1
X1 



 X X2


X
X
g 
2
1 − 1 − 2 t   ,
k = k0 1 − 1 t  +
 Q 
X 1   Q0  
0 






(4.2)

где X1 = qп + qд + qм, X2 = qу + qд – qm.

239

При работе двигателя, когда количество масла поддерживается
на определенном уровне, т.е. qу = qдqm, уравнение принимает вид


k  k0 e

qп  q у
Q0

t

qп  q у ⎞
⎛

t
⎜
Q0 ⎟
g

⎜1  e
⎟.
qп  q у ⎜
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠

(4.3)

Уравнения (4.2) и (4.3) учитывают большинство режимов рабо
ты двигателя. Зная значения составляющих этой модели, можно
рассчитать интенсивность поступления продуктов изнашивания за
контролируемый период и, следовательно, количество металла,
удаленного с деталей.
Полученные по вышеприведенной модели накопленные значе
ния концентрации или объемы изношенных элементов характери
зуют интегральный износ контролируемых деталей. В практике не
обходимо иметь информацию о степени изношенности отдельных
групп деталей и, если возможно, оценить значение износов. Для это
го необходимо разделить полученные объемы металлов по группам
деталей. Каждый дизель имеет свои конструктивные особенности
и в том числе характерный набор материалов, применяемых для
изготовления отдельных групп деталей. Анализ химического и про
центного состава материалов позволяет решить две задачи: устано
вить перечень контролируемых элементов для конкретного типа
дизеля и разработать метод разделения объемов изношенных ме
таллов по группам контролируемых деталей.
Сложность разделения по группам контролируемых деталей
заключается в том, что одни и те же химические элементы посту
пают в моторное масло с различных деталей, формируя общую
картину износа по отдельным элементам. Существуют различные
подходы к разделению объемов характерных элементов по груп
пам деталей. Например, предлагается установленный объем из
ношенного железа разделять в процентном отношении по заранее
установленным соотношениям для данного типа дизеля (цилинд
ровые втулки — 60 %, компрессионные кольца — 30 %, шейки ко
ленчатого вала — 7 %, поршневые пальцы — 3 %) и считать это со
отношение постоянным [55]. Реальные процессы изнашивания де
талей ЦПГ и КШМ значительно сложнее, и установленные соот
240

ношения не всегда выдерживаются изза действия множества слу
чайных факторов. Поэтому необходима разработка математической
модели, позволяющей учитывать случайность процесса изнашива
ния отдельных групп деталей и более точно распределять объемы
изношенного металла по контролируемым группам.
Разработка алгоритма решения задачи осложняется многоком
понентным химическим составом материалов контролируемых де
талей (табл. 4.4—4.6). При разработке алгоритма разделения изно
шенных объемов металлов для каждого дизеля необходимо реали
зовывать индивидуальный подход (рис. 4.6, 4.7).
Таблица 4.4
Содержание элементов в деталях ЦПГ и КШМ дизеля 10Д100

Полученные результаты моделирования позволяют решать зада
чу оценки степени изнашивания деталей дизеля с элементами кон
троля неравномерности износов (катастрофическом изнашивании)
отдельных деталей.
Основной причиной выхода из строя деталей тепловозов, в пер
вую очередь дизеля, является повышенный износ. Изучению про
цессов изнашивания деталей в процессе эксплуатации локомоти
241

Таблица 4.5
Содержание элементов в деталях ЦПГ и КШМ дизеля Д49

Таблица 4.6
Содержание элементов в деталях ЦПГ и КШМ дизеля К6S310DR

242

Рис. 4.6. Алгоритм моделирования накопления продуктов
изнашивания

243

Рис. 4.7. Алгоритм разделения продуктов изнашивания по группам контроли
руемых деталей дизеля типа 10Д100

вов посвящены работы таких ученых, как В.В. Чанкин, Н.А. Мало
земов, Э.А. Пахомов, А.Д. Беленький и др. Изменение геометрии
деталей приводит к нарушению режима их работы, повышению ди
намических нагрузок, ухудшению режима смазки и т.д. Конструк
ция большинства узлов тепловоза не позволяет контролировать пу
244

тем непосредственного измерения текущее значение износа без их
разборки. Для организации безразборного контроля износовых ха
рактеристик деталей особое значение приобретает изучение зако
номерностей изнашивания. Как показывают результаты исследова
ния, износ деталей подчиняется определенным закономерностям.
Так, в двигателях внутреннего сгорания на детали ЦПГ и КШМ дей
ствуют силы, имеющие циклический характер. Силы и моменты,
действующие в поршневом двигателе внутреннего сгорания, опре
деляются давлением газов в цилиндре Рг, силами инерции движу
щихся частей Рj и силами трения.
За период совершения полного рабочего цикла двигателя сила
давления газов, сила инерции поступательно движущихся масс
КШМ изменяются как по ве
личине, так и по направле
нию
Начальные размеры ци
линдровой втулки (ЦВ) уста
навливаются после проведе
ния соответствующего ре
монта и фиксируются в карте
обмера паспорта дизеля с ука
занием вида ремонта, даты
проведения ремонта, нара
ботки дизеля. Схемы обмеров
ЦВ и других контролируемых
деталей приняты по рекомен
дуемым схемам обмеров заво
даизготовителя (рис. 4.8).
Наличие случайных фак
торов, оказывающих влияние
на процесс изнашивания ци
линдровых втулок, в конечном
итоге сказывается на отклоне
ниях значения износа относи
тельно ожидаемого значения.
В результате исследования за
кономерности изнашивания
Рис. 4.8. Схема обмера цилиндровой
цилиндровых втулок по по
втулки дизеля 10Д100
245

ясам и плоскостям замеров получены соотношения износов, опре
деляемые коэффициентами:

K1 =

T1 =

I1(v )
I1( x )

I 2( x )
I1( x )

, K2 =

, T2 =

(v )
I 21

I 2( x )

I 3( x )
I1( x )

, K3 =

, T3 =

I 3(v )
I 3( x )

I 4( x )
I1( x )

, K4 =

, T4 =

I 4(v )
I 4( x )

I 5( x )
I1( x )

, T5 =

, K5 =

I 5(v )
I 5( x )

I 6( x )
I1( x )

, T6 =

,

I 6(v )
I 6( x )

,

где I (m ) — износ ЦВ в поясе n и плоскости m (m ∈ {x, v})).
n

В качестве базового принято значение износа в 1м поясе в плос
кости «по ходу» — I ( x ) . Полученные коэффициенты позволяют ус
1
тановить форму изнашивания ЦВ дизеля. Объем металла, изношен
ного с втулки, рассчитывается как разница внутреннего объема ци
линдровой втулки после и до изнашивания. Цилиндровая втулка
изнашивается в пределах хода поршня, т.е. на интервалах между по
ясами 13 и 46. В месте перекладки поршня в сечении втулки обра
зуется эллипс с радиусами A, B.
Анализируя форму изнаши
вания цилиндровой втулки меж
ду поясами обмера, для расчетов
можно принять усеченный конус
с радиусами оснований A, B и a,
a A
≠ , а
b B
следовательно, Ha ≠ Hb. По при
знаку подобия треугольников
имеем

b (рис. 4.9). Причем

Ha − h
Hb

=

a
,
A

откуда
Рис. 4.9. Расчетная форма износа
цилиндровой втулки дизеля

246

Ha =

Ah
.
A −a

Аналогично
Bh
.
В −b
Для нахождения объема усеченного конуса воспользуемся мето
дом численного интегрирования:
Hb =

h

V кон = ∫ S (Z )dZ ,
0

где S(Z) = πcd — площадь эллипса (изменяется с изменением Z);
h — высота конуса.

По признаку подобия треугольников
=

A (H a − Z )
Ha

. Аналогично d =

B (H b − Z )
Hb

Ha
A
, откуда с =
=
c Ha − Z

. В результате подстанов

ки получаем

S (Z ) = π

AB
(H a − Z )(H b − Z ).
HaHb

После интегрирования получаем

h2
h2
h3 
V кон = D  H a H b h −
Hb −
H a + ,

2
2
3 

где D = π

AB
.
H aH b

Количество металла, изношенного с ЦВ определится как разни
ца между внутренним объемом ЦВ на момент контроля и на начало
эксплуатации.
По приведенной выше методике были рассчитаны объемы из
ношенного металла с каждой ЦВ всех контролируемых дизелей.
С целью уточнения распределения общего объема изношенного с
цилиндровых втулок металла параллельно проведены исследования
поступления металла в моторное масло с цилиндровых втулок в за
висимости от их местоположения (табл. 4.7).
247

Таблица 4.7
Среднее значение объема изношенного металла по цилиндровым втулкам

По полученным результатам выполнен анализ случайности рас
хождения значений и с вероятностью 0,90 установлено, что расхож
дения значений для 8, 9 и 10 цилиндровых втулок являются значи
мыми. На основании проведенного анализа при реализации моде
ли распределения объемов изношенного металла по деталям полу
ченные соотношения учитываются в диагностической модели.
На поршень дизеля 10Д100 устанавливается четыре компресси
онных кольца. Компрессионное кольцо этого дизеля имеет слож
ную конструкцию, обусловленную наличием бронзовой вставки.
Обмер кольца производился в пяти сечениях по периметру кольца.
В качестве базового износа принят износ в сечении, противополож
ном замку (3й пояс, рис. 4.10). Соотношение износов в других по
ясах устанавливается коэффициентами

Рис. 4.10. Схема геометрии изнашивания компрессионного кольца

248

N1 =

∆(2,4)
∆(3)

, N2 =

∆(1,5)
∆(3)

,

где ∆(i) — износ поршневого кольца в iм поясе.

По результатам анализа геометрической формы кольца получе
ны уравнения, описывающие соотношения объемов изношенного
с них чугуна и бронзы в зависимости от величины базового износа.
Исходя из геометрических размеров компрессионного кольца и схе
мы износа возможно несколько характерных интервалов износов.
При расчете объема изношенной с кольца бронзы приняты сле
дующие модели:
при условии, что ∆(3)N2 ≤ 2,5 мм,
d
∆(3) + ∆(3)N1 
 + 2,827 ∆(3)N + ∆(3)N ×
Vбр = 2,827 ∆(3)N1 + ∆(3)  k −
1
2
 2

4



(

)

(

)

d
∆(3)N1 − ∆(3)N 2 
k

,
×
−
 2

4


где d =
k

πDk − ∆ з

— диаметр кольца, мм;
π
∆з — зазор в замке кольца, мм;
Dk — диаметр калибра, мм;
при условии, что 2,5 мм < ∆(3)N2 и ∆(3)N1 ≤ 2,5 мм,

d
2,5 − ∆(3)N1
∆(3) + ∆(3)N1 
 + 2,827
Vбр = 2,827 ∆(3)N1 + ∆(3)  k −
×
(3)
(3)
 2

4
∆
N
−
∆
N


2
1

(

)

d
∆(3)N1 + 2,5 
+
× ∆(3)N1 + 2,5  k −
 2

4


(3)
 d
2,5 − ∆ N1  dk


+14,13   k − 1,25 −
− 1,25 .

 ∆(3)N − ∆(3)N  2

  2



2
1

(

)

249

Для расчета объема изношенного чугуна получены следующие
модели:
при условии, что 0 < ∆(3)N2 ≤ 0,05 мм,

V чуг

d
∆
∆(3)
=
N12 + N 22  k −
 2
4tg1


(

(3)

)

d
∆
∆(3)
+
N12 + 1 ⋅  k −
 2
4tg1


(

(3)

)

(N1 + N 2 )  ⋅ 2π +



3

(N1 + 1)  ⋅ 2π;
3




при условии 0,05 мм < ∆(3)N2 ≤ 2,5 мм и 0,05 мм < ∆(3)N1 ≤ 2,5 мм

(

)

d
 ∆(3)N 2
 
∆(3) N1 + 1
1 + 0,081 ×
 k −
+ 3,14 ⋅ 
 2
 0,034
 
3

 
V чуг = 91,06∆(3) N12 + 1 
+

(3)
(3)
d
 
0,05
0,051
N
N
−
∆
+
∆
×

1  k −
1
 (3)

(3)


3
∆ N 2 − ∆ N1  2
 

(3)
 d
  0,05 − ∆ N1   dk

  − 0,035 + 9,61 ∆(3)N − 0,05 ×
+0,48   k − 0,035 − 
2
  ∆(3) (N − N   2

  2
 

2
1 

 d
∆(3)N 2 − 0,05  0,05 − ∆(3)N1  dk
∆(3)N 2 − 0,05 
−
 − 0,05 −
 .
×   k − 0,05 −
 2
 ∆(3) (N − N )  2

4
4
2
1 




(

)

(

)

Зазор в замке изношенного компрессионного кольца составит, мм:
d
d
∆(3)N 2 + ∆(3)N1 
∆(3)N1 + ∆(3) 
 − π k −
,
∆ з = πDц + 1 − π  k −
 2

 2

2
2




где Dц — диаметр цилиндра, мм.

Неравномерность износа компрессионных колец по местополо
жению на поршне характеризуется коэффициентами X1, X2, X3,
250

представляющими отношения из
носов колец к износу базового
кольца (рис. 4.11):
X3 =

∆3
∆4

; X2 =

∆2
∆4

; X1 =

∆1
∆4

,

где ∆1, ∆2, ∆3, ∆4 — соответственно ба
зовый износ первого, второго, третьего
и четвертого компрессионных колец.

В табл. 4.8 приведены результа
ты контроля износов компресси
Рис. 4.11. Износ колец в зависимос
онных и маслосъемных колец по
ти от местоположения
местоположению на поршне.
В результате анализа литературных источников и обработки ста
тистического материала для дизеля типа 10Д100 получены и приня
ты следующие значения коэффициентов, характеризующие пара
метры износа компрессионных колец: N1 = 1,2; N2 = 2,0; Х1 = 1,45;
Х2 = 2,52; Х3 = 5,11.
Таблица 4.8
Интенсивность износа компрессионных и маслосъемных колец

В процессе эксплуатации тепловозного дизеля возможны случаи
катастрофического (интенсивного) изнашивания отдельных дета
лей. Приведенные модели позволяют оценить интегральный износ
групп деталей и не реагируют на начало интенсивного изнашива
ния одной или нескольких деталей.
Для идентификации катастрофического изнашивания отдельных
деталей применяется модель, основанная на использовании аппа
рата теории нейронных сетей. На рис. 4.12 приведен однослойный
персептрон, где в качестве сигналов, поступающих на слой нейро
нов, использована скорость нарастания концентрации элементов
251

продуктов изнашивания. В
результате моделирования
работы масляной системы
дизеля типа 10Д100 при раз
личных скоростях изнашива
ния деталей ЦПГ и КШМ
получены скорости нараста
ния накопленной концентра
ции контролируемых эле
ментов продуктов изнашива
ния. Результаты моделирова
ния приведены в табл. 4.9.
Для повышения разрешаю
щей способности модели
значение iго сигнала на jй
нейрон (Xij) должно попадать
в установленный интервал [a,
b]. Для этого необходимо
произвести масштабирова
ние сигнала по формуле

Рис. 4.12. Однослойный персептрон
нейронной сети

X′=

(X − X min ) (a − b) + a.
X max − X min

В качестве аксона принята сигмоидальная функция вида

Y =

1
1 + e −αS

,

где α — коэффициент крутизны функции;
S — состояние нейрона.

Состояние нейрона рассчитывается по формуле
n

S j = ∑ wij X ij ,
i =1

где n — число входов нейрона;
Xij — значение iго входа нейрона;
wij — вес iго синапса.

252

Таблица 4.9
Относительная скорость нарастания концентрации элементов продуктов
изнашивания в моторном масле при увеличении скорости изнашивания
одной детали в пятнадцать раз

Примечание: 1 — поршневой палец; 2 — бронзовая втулка; 3 — шатунная
шейка; 4 — коренная шейка; 5 — компрессионное кольцо; 6 — вкладыш ко
ленчатого вала; 7 — цилиндровая втулка.

В результате анализа схемы формирования сигналов получены
уравнения, позволяющие рассчитать значение поступающего сиг
нала на соответствующий нейрон:
S = w X + w X + w X + w X + w X + w X + w X + w X ;
11 11
21 21
31 31
41 41
51 51
61 61
71 71
81 81
 1
S 2 = w12 X 12 + w22 X 22 + w32 X 32 + w42 X 42 + w52 X 52 + w62 X 62 + w72 X 72 + w82 X 82 ;

S3 = w13 X 13 + w23 X 23 + w33 X 33 + w43 X 43 + w53 X 53 + w63 X 63 + w73 X 73 + w83 X 83 ;

S 4 = w14 X 14 + w24 X 24 + w34 X 34 + w44 X 44 + w54 X 54 + w64 X 64 + w74 X 74 + w84 X 84 ;

S5 = w15 X 15 + w25 X 25 + w35 X 35 + w45 X 45 + w55 X 55 + w65 X 65 + w75 X 75 + w85 X 85 ;

S 6 = w16 X 16 + w26 X 26 + w36 X 36 + w46 X 46 + w56 X 56 + w66 X 66 + w76 X 76 + w86 X 86 ;
S = w X + w X + w X + w X + w X + w X + w X + w X .
17 17
27 27
37 37
47 47
57 57
67 67
77 77
87 87
 7

На первом шаге обучения нейронной сети значение веса wij при
нято как отношение скорости нарастания концентрации контроли
руемого элемента при катастрофическом изнашивании к скорости
при нормальном изнашивании.
Процесс обучения нейронной сети реализуется по «дельта пра
вилу». Персептрон обучают, подавая множество образов по одному
253

на его вход и подстраивая веса до тех пор, пока для всех образов не
будет достигнут требуемый выход. Для обучения сети образ X пода
ется на вход и вычисляется выход Y. Если Y правилен, то ничего не
меняется. Если выход неправилен, то веса, присоединенные к вхо
дам, усиливающим ошибочный результат, модифицируются, чтобы
уменьшить ошибку. Этот метод может быть представлен следующей
последовательностью шагов:
Первый шаг — подать входной образ и вычислить Y.
Второй шаг:
– если выход правильный, то перейти на шаг 1;
– если выход неправильный и равен нулю, то добавить все вхо
ды к соответствующим им весам;
– если выход неправильный и равен единице, то вычесть каж
дый вход из соответствующего ему веса.
Третий шаг — перейти на шаг 1.
«Дельтаправило» реализуется с помощью введения величины ∆,
которая равна разности между требуемым или целевым выходом Т
и реальным выходом Y.
Случай, когда ∆ = 0, соответствует шагу 2а. Шаг 2b соответству
ет случаю ∆ > 0, а шаг 2с — случаю ∆ < 0. В любом из этих случаев
персептронный алгоритм обучения сохраняется, если ∆ умножает
ся на величину каждого входа Xi и это произведение добавляется к
соответствующему весу ∆ = T – Y.
С целью обобщения вводится коэффициент «скорости обуче
ния» n, который умножается на ∆Xi, что позволяет управлять сред
ней величиной изменения весов. В алгебраической форме записи
Di = n ∆Xi,
w(n+1) = w(n) + Di,
где Di — коррекция, связанная с iм входом Xi;
w(n+1) — значение веса i после коррекции;
w(n) — значение веса i до коррекции.

«Дельтаправило» модифицирует веса в соответствии с требуе
мым и действительным значениями выхода каждой полярности как
для непрерывных, так и для бинарных входов и выходов.
Применение аппарата теории нейронных сетей является одним
из вариантов решения задачи установления факта катастрофичес
кого изнашивания детали.
254

4.3. Диагностирование топливной аппаратуры
Основной причиной выхода из строя топливной аппаратуры
(ТА) являются неисправности распылителей, нагнетательных кла
панов, пружин форсунок и трубопроводов высокого давления. Не
плотность нагнетательного клапана приводит к нестабильности
подачи топлива. Распылители выходят из строя вследствие за
коксовывания и износа сопел или зависания запорной иглы фор
сунки. Такие неисправности, как заклинивание плунжерных
пар, разрыв трубопроводов, поломка пружин и насоса, приво
дят к прекращению работы ТА.
Для диагностирования технического состояния ТА применяют
ся следующие методы:
– оценка состояния по характеру перемещения иглы форсунки.
Метод основан на регистрации процессов подъема и посадки иглы
распылителя, характер и время протекания которых характеризуют
техническое состояние ТА (форсунки);
– оценка состояния по виброакустическим параметрам. Метод ос
нован на регистрации параметров вибрации, которые обусловлены
механическими и физическими процессами, протекающими в ТА;
– оценка состояния по характеру изменения давления топлива в
магистрали высокого давления.
Диагностирование топливной аппаратуры чаще всего выполня
ется на работающем дизеле с использованием датчиков и средств
вычислительной техники. Для комплексной оценки технического
состояния топливной системы высокого давления, состоящей из
насоса высокого давления, нагнетательного трубопровода и форсун
ки, необходимо контролировать качество работы и гидравлические
сопротивления топливного насоса, трубопровода и форсунки. Ос
новными диагностическими параметрами являются давление топ
лива и параметры вибросигнала. Вибрация возникает под действи
ем ударов при подъеме и посадке обратного клапана топливного
насоса и иглы форсунки. Чем хуже техническое состояние этих уз
лов, тем больше отклонение измеренных параметров от эталонных
значений. Если учесть, что диагностирование топливной аппарату
ры практически всегда связано с измерением угла опережения по
дачи топлива, то система дополняется датчиком угла поворота ко
ленчатого вала.
255

Технологии контроля параметров работ топливной аппаратуры
реализованы как в стационарных системах реостатных испытаний
(«КИПАРИС», «МАГИСТРАЛЬ», «АЛМАЗ», «АРАМИС»), так и в
переносных («ИСТАД», «ДЭСТА» и др.).
Комплексом реостатных испытаний «КИПАРИС» диагностиро
вание работы топливной аппаратуры дизеля осуществляется по сле
дующим параметрам:
– определение угла опережения впрыска топлива по ТНВД;
– определение хода иглы форсунки (при установке датчика
(ДПИФ) подъема иглы форсунки);
– определение параметров впрыска топлива (темп подачи топ
лива, длительность впрыска, наличие подвпрысков).
На рис. 4.13 показан внешний вид
индикатора состояния топливной
аппаратуры «ИСТАД» (ОмГУПС).
Технология контроля угла опереже
ния впрыска топлива заключается в
фиксации угла поворота коленчато
го вала и момента подачи топлива в
цилиндр. Для контроля угла поворо
та коленчатого вала на выходной вал
дизеля устанавливается диск с про
резями через 2 град. Первоначально
настраивается положение ВМТ для
поршня первого цилиндра. Угол по
Рис. 4.13. Индикатор состояния
ворота фиксируется оптическим дат
топливной аппаратуры дизеля
чиком. Для контроля момента впрыс
«ИСТАД»
ка топлива в цилиндры на трубопро
вод высокого давления устанавливаются вибродатчики. При резком
повышении давления топлива в трубопроводе датчик вибрации фик
сирует сигнал расширения стенок трубки. Система синхронизации
фиксирует параметры вибросигнала и угол поворота коленчатого
вала (положение ВМТ для контролируемого цилиндра) (рис. 4.14).
Датчик синхронизации (ДС) и усилитель интерфейсный (УИ) вы
полнены в виде одного блока — фотопреобразователя. Датчик по
дачи (впрыска) топлива (ДПТ) служит для формирования электри
ческого сигнала в момент подачи топлива в камеру сжатия; усили
256

тель (УП) обеспечивает достаточ
ное увеличение амплитуды диагно
стического сигнала. Фильтр высо
ких частот (ФВЧ) служит для от
фильтровывания низкочастотных
наводок, приходящих на вход инди
катора по магистральному кабелю.
Смеситель (СМ) предназначен для
масштабного наложения сигнала от
ДПТ на сигнал градусных отметок
(«град»). Датчик синхронизации
(ДС) вырабатывает за один оборот
коленчатого вала 180 градусных
Рис. 4.14. Функциональная схема
отметок и один синхроимпульс,
комплекса ИСТАД:
осуществляющий общую синхро 1 — датчик подачи топлива (ДПТ)
низацию индикатора. Усилитель с усилителем предварительным
интерфейсный обеспечивает по (УП); 2 — фильтр высоких частот
(ФВЧ); 3 — смеситель (СМ); 4 —
мехозащищенную передачу инфор датчик синхронизации (ДС); 5 —
мации от ДС в индикатор. Триггер усилитель интерфейсный (УИ); 6 —
Шмитта (ТгШ) служит для форми триггер Шмита (ТгШ); 7 — форми
рования фронтов и уровней син рователь короткого импульса
хроимпульсов. Формирователь ко (ФКИ); 8 — делитель на 180/Z (Д);
9 — счетчик текущего номера ци
роткого импульса (ФКИ) по задне линдра (СЧ); 10 — схема совпадения
му фронту вырабатывает градусную (СС); 11 — переключатель номера
отметку, отчетливо видную на эк цилиндра (ПНЦ); 12 — селектор
ране осциллографа (рис. 4.15). Де синхроимпульса (ССИ); 13 — ос
литель (Д) на 180/Z предназначен циллограф лучевой (ОЛ); 14 — блок
питания (БП)
для определения момента начала
развертки луча осциллографа в зависимости от числа цилиндров Z
исследуемого дизеля. Селектор синхроимпульса (ССИ) необходим
для распознавания импульса общей синхронизации. Счетчик (СЧ)
производит подсчет количества цилиндровых отметок за один обо
рот и вырабатывает четырехразрядный двоичный код, соответству
ющий номеру цилиндра дизеля. Переключатель номера цилиндра
(ПНЦ) предназначен для получения четырехразрядного двоичного
кода в зависимости от номера цилиндра. Схема совпадения (СС)
осуществляет выдачу электрического сигнала в момент совпадения
257

Рис. 4.15. Форма вибросигнала комплекса «ИСТАД»

кодов счетчика (СЧ) и переключателя номера цилиндра (ПНЦ).
Блок питания (БП) обеспечивает необходимые уровни питающих
напряжений, требующихся для питания всех узлов индикатора.
В табл. 4.10 представлены варианты вибросигналов при различ
ных неисправностях топливной аппаратуры.
Таблица 4.10
Вид сигналов, характеризующих впрыск топлива при различном состоянии
топливной аппаратуры и рекомендации по восстановлению работоспособности

258

4.4. Диагностирование газораспределительного механизма
Качество процесса сгорания топлива, экономические и эколо
гические параметры тепловозного дизеля во многом зависят от пра
вильной работы газораспределительного механизма. Наиболее при
емлемым методом безразборной оценки качества работы газорасп
ределительного механизма в целом и технического состояния его
элементов является виброакустический метод. Благодаря развитию
элементной (вибродатчики, спектроанализаторы) и теоретической
базы, а также универсальности безразборный метод диагностиро
вания стал наиболее распространенным.
Синхронизированный с углом поворота распределительного ва
ла вибросигнал, который формируется в момент посадки клапана,
позволяет оценить качество настройки фаз газораспределения. Па
раметры вибросигнала содержат информацию о техническом состо
янии элементов газораспределительного механизма.
259

На рис. 4.16 показана
схема передачи усилия на
клапан через гидротолка
тель дизеля 14Д40. Измене
ние параметров работы
гидротолкателя приводит к
изменению режима работы
газораспределительного
механизма. Оценка техни
ческого состояния гидро
толкателя без его разборки
основана на анализе виб
росигнала, сформирован
Рис. 4.16. Схема передачи усилий на клапан: ного изменением давления
1 — пружина; 2 — клапан; 3 — гидротолкатель; масла в трубопроводе, со
4 — траверса; 5 — рычаг; 6 — толкатель; 7 — единяющем полость гидро
кулачок распредвала
толкателя с масляной сис
темой (рис. 4.17).
Давление масла в полости нагнетания гидротолкателя модели
руется следующей эмпирической зависимостью, решаемой итера
ционным методом:
Pg  Pg 

hFm
V п



t 0 Fо
V п

D 30 (Pg  P0 )t
2
P  Pm 
,
 k
12LV п 

где P  — давление масла в полости нагнетания гидротолкателя на предыду
g
щем шаге расчета, Па;
Fо — площадь проходного сечения в шариковом клапане, м2;
h — величина подъема толкателя, м;
Fm — площадь поперечного сечения толкателя, м2;
 — термодинамический коэффициент сжимаемости масла, Па–1;
t — период времени, с–1;
0 — коэффициент расхода жидкости;
 — плотность масла, кг/м3;
0 — величина радиального зазора, м;
 — абсолютная вязкость масла, Па·с;
L — длина щелевого зазора, м;
P0 — атмосферное давление, Па;
Pk — давление, создаваемое клапанными пружинами, Па;
Pm — давление масла в системе, Па.

260

Объем полости нагнетания является
функцией перемещения толкателя, которое,
в свою очередь, зависит от угла поворота
распределительного вала и профиля кулач
ка. В результате моделирования различных
неисправностей гидротолкателя анализиру
ют изменение давления масла в полости на
гнетания. На практике контролируют процесс
изменения давления масла и идентифициру
ют вид неисправности гидротолкателя без
разборным методом (зазор в гидротолкателе
больше или меньше номинального, отсутст
вие зазора в гидротолкателе, заклинивание
толкателя, излом или ослабление клапан
ной пружины, неплотности в шариковом
клапане).
Основное внимание при проверке техни
ческого состояния газораспределительного
механизма уделяют проверке тепловых за
зоров в клапанах и фаз газораспределения.
Для диагностирования технического со
Рис. 4.17. Расчетная
стояния механизма газораспределения при
схема гидротолкателя:
меняется стробоскопический эффект. Он 1 — втулка; 2 — упор; 3 —
заключается в том, что быстро вращающие шарик; 4 — масляная
ся либо движущиеся возвратнопоступа система; 5 — пружина; 6 —
толкатель
тельно детали кажутся неподвижными при
освещении их импульсными вспышками,
частота которых равна или кратна частоте движения детали. Для
стробоскопического эффекта с синхронизацией частот контроли
руемой детали (механизма) и стробоскопических импульсов харак
терна следующая зависимость между частотами:
f 

nfd
2m

,

где f — частота стробоимпульсов, Гц;
fd — частота вращения или возвратнопоступательного движения механиз
ма, Гц;

261

n — число одновременно наблюдаемых базовых меток на вращающейся де
тали;
m — число пропусков вспышек.

Если скорости перемещения клапанов в данной фазе будут оди
наковыми, можно определить их техническое состояние, исполь
зовав интервальную синхронизацию частот. Коромысла клапанов
при отсутствии дефектов, освещаемые стробоимпульсами, будут
казаться неподвижными. Если имеется остаточная деформация
пружин, задиры стержня или направляющей клапана, погнутость
штока и другие неисправности, то скорости перемещения штанг и
коромысел у исправных и неисправных приводов будут различны
ми — изображение перестанет быть неподвижным.

4.5. Контроль параметров газовоздушного тракта
От технического состояния выхлопного коллектора, закоксовы
вания впускных и выпускных окон, засорения воздушных фильт
ров зависят КПД турбокомпрессора, качество воздухоснабжения и
топливная экономичность дизеля. В свою очередь, газовоздушный
тракт характеризуется давлением, температурой и скоростью воз
духа и отработанных газов.
Для определения состояния воздухоохладителей используют
прибор УС250 (авиационный указатель скорости), дополненный
двумя датчиками для измерения статического и полного давления
(см. рис. 3.27). Для большей полноты диагностирования газовоз
душного тракта необходимо знать давление воздуха после комп
рессора и атмосферное давление в окружающей среде. Выбранных
параметров достаточно для оценки технического состояния газовоз
душного тракта.
Измеренные значения параметров сравниваются с эталонными,
и информация поступает на дальнейшую обработку.

4.6. Диагностирование турбокомпрессора
Основными причинами выхода из строя турбокомпрессоров яв
ляются неисправности опорных подшипников, компрессора, тур
бины и дисбаланс ротора. В качестве локальных средств диагнос
тирования применяют эндоскопы, термощупы и измерители виб
рации.

262

Для интегральной оценки технического состояния ТК исполь
зуют такие параметры, как степень повышения давления k, коэф
фициент полезного действия k и время выбега ротора. Степень
повышения давления и КПД компрессора находятся в функцио
нальной зависимости от расхода воздуха Gk и частоты вращения
компрессора. Расход воздуха определяется по выражению
2
k 1 ⎤
⎡
P0 ⎢ 2 g k ⎛ Pk ⎞ k ⎛ Pk ⎞ k ⎥
⎜ ⎟ ⎜ ⎟
Gk  F
⎢
⎥
⎜P ⎟
T0 ⎢ R k  1 ⎜⎝ P0 ⎟⎠
⎥
⎝ 0⎠
⎢⎣
⎥⎦

0,5

,

где F — площадь поперечного сечения выпускного патрубка компрессора, м2;
P0 — давление воздуха перед компрессором, Па;
T0 — температура воздуха перед компрессором, К;
g — ускорение свободного падения, м/с2;
R — газовая постоянная, Дж/(кгК);

k  c p / c ;
cp, c — теплоемкость воздуха при постоянных давлении и объеме, Дж/К;
Pk — давление наддува, МПа.

Техническое состояние компрессора контролируют по P0, Pk, T0,
Tk, Gk, nk. Техническое состояние турбины определяется степенью
расширения в ней газов т и КПД т  f (C г ,Tг , nт , Pг) . Расход газа
через одноступенчатую турбину определяется по выражению

G т  f т

Pгг
RгTг г

,

где fт — эквивалентная площадь проходного сечения турбины, м2;
Pг — давление газов после турбины, Па;
Тг — температура газов перед турбиной, К;
г, г — термодинамические функции;
Rг — газовая постоянная, Дж/(кгК).

Для оценки технического состояния турбины контролируют Рг,

Pг ,Tг ,Tг.
Широкое применение в практике оценки технического состоя
ния нашла технология оценки времени выбега ТК после остановки
263

дизеля. В процессе эксплуатации время выбега ТК замеряется не
посредственно на тепловозе. Нарушения технического состояния
опорных подшипников, закоксованность лопаток ТК и проточной
части приводят к повышению сил сопротивления вращению рото
ра и, как следствие, к уменьшению времени выбега. После оста
новки дизеля с нулевой позиции при температуре масла 65 °С рото
ры должны вращаться не менее 1 мин. С целью предупреждения
случаев заклинивания ротора турбокомпрессора в эксплуатации
следует произвести контрольные замеры масляного зазора в опор
ноупорном подшипнике ротора турбокомпрессора и проверить
осевой разбег ротора. Для контроля частоты вращения ротора в
технологическое отверстие корпуса ТК устанавливают индуктивный
датчик, который позволяет контролировать частоту вращения ро
тора ТК в диапазоне 60—32 000 мин–1. После ремонтных работ
оценку технического состояния ТК и качество сборки оценива
ют на стендах. Основная сложность стендовой обкатки ТК заклю
чается в необходимости разгона ротора ТК до высоких частот вра
щения. В некоторых стендах для этих целей используют газотур
бинные двигатели в качестве генераторов выпускных газов. На
кафедре «Локомотивы» ОмГУПС разработан стенд для «холодной»
обкатки и испытания турбокомпрессоров типа ТК28, ТК34 и ТК36
при различных частотах вращения ротора. Основные технические
характеристики стенда приведены в табл. 4.11.
Таблица 4.11
Основные технические характеристики стенда

На рис. 4.18 показана схема стенда для испытания тепловозных
турбокомпрессоров. Эффективность стенда достигается за счет
обеспечения частоты вращения ротора турбокомпрессора в пре
264

Рис. 4.18. Стенд для «холодной» обкатки турбокомпрессора:
1 — осевой вентилятор; 2 — напорный воздуховод; 3 — цифровой указатель;
4 — выпускной воздуховод; 5 — индуктивный датчик частоты вращения; 6 —
всасывающий патрубок рабочей камеры; 7, 11 — герметичные крышки; 8 — пе
репускной клапан; 9 — электромеханический привод; 10 — отводящий патру
бок; 12 — обратный клапан диафрагменного типа; 13 — частотный преобразо
ватель (ЧП); 14 — блок управления (БУ)

делах 14 000—16 000 мин–1 без использования генератора выпуск
ных газов.

4.7. Оценка экологических характеристик дизеля
При работе тепловозного дизеля в атмосферу вместе с отрабо
тавшими газами выбрасывается большое количество компонентов,
часть из которых относится к вредным выбросам. В соответствии с
ГОСТ 12.1.00585 «Воздух рабочей зоны. Общие требования безо
265

пасности» различные химические соединения, содержащиеся в от
работавших газах, относятся к различным категориям опасности
(табл. 4.12)
Таблица 4.12
Категории опасности вредных выбросов

Основное влияние на количество вредных выбросов тепловоз
ным дизелем оказывают такие параметры рабочего процесса, как
максимальное давление сгорания, максимальная температура сго
рания, величина коэффициента избытка воздуха, элементный со
став топлива.
Образование токсичных веществ в цилиндрах ДВС происходит в
результате реакций окисления составляющих углеводородного топ
лива кислородом, поступающим с воздухом при наполнении ци
линдра свежим зарядом, и в результате соединения азота и кисло
рода, содержащихся в воздухе, с составляющими топлива и продук
тами сгорания.
Токсичными продуктами при сгорании дизельного топлива
среднего элементарного состава являются сажа (углерод), оксид
углерода, оксиды азота и серы, углеводороды и альдегиды.
Как показано в работе [58], образование углерода С (сажи) в
цилиндрах дизеля происходит в результате процессов гидрогени
зации, дегидрогенизации, крекинга, полимеризации и конденса
ции, протекающих при высоких давлениях и температурах рабо
266

чего тела и при малых значениях коэффициента избытка воздуха.
Концентрационный предел окислителя, при котором начинается
выделение сажи из пламени, составляет по коэффициенту избыт
ка воздуха α = 0,33 – 0,70.
Исследованиями установлено, что с увеличением температуры
рабочего тела в процессе сгорания начало образования сажи сдви
гается в сторону более богатых топливовоздушных смесей, а с уве
личением давления — в сторону более бедных смесей. Максимум
сажесодержания при повышении температуры рабочего процесса
сдвигается в сторону богатых смесей.
Количество образовавшейся сажи в большей степени зависит от
температуры в зоне пиролиза (разложение химических соединений
при нагревании) углеводородов. С ростом температуры и давления
рабочего тела в процессе сгорания топлива количество сажи в про
дуктах сгорания резко увеличивается, при этом количество сажи в
них зависит от свойств топлива: чем выше молекулярный вес пре
дельных и непредельных углеводородов, тем выше скорость обра
зования сажевых частиц. Выявлено также, что концентрация сажи
в выхлопных газах тем больше, чем больше отношение С/Н в топ
ливе. В процессе образования сажевых частиц и после него может
происходить их выгорание в реакциях с радикалами ОН или кис
лородом.
При составах рабочей смеси, беднее стехиометрического, про
исходит прямое окисление сажи кислородом. Скорость выгорания
сажи значительно меньше скорости выгорания газообразных про
дуктов неполного сгорания. Образование оксида углерода СО в
двигателях внутреннего сгорания происходит в ходе холоднопла
менных реакций при сгорании топливовоздушных смесей с неко
торым недостатком кислорода, а также вследствие реакций дис
социации диоксида углерода, протекающих при высокой темпе
ратуре. При развитии процесса сгорания и последующего расши
рения рабочего тела в цилиндре двигателя при наличии кислорода
возможно выгорание оксида углерода. Практика эксплуатации
дизельных двигателей показала, что максимальная концентрация
СО в отработавших газах не превышает 0,2 % [58].
При сгорании топлива оксиды азота NOx образуются в результа
те реакций окисления азота кислородом воздуха. Общепринятой
теорией образования монооксида азота NO из атмосферного воз
267

духа и кислорода в процессе сгорания является термическая тео
рия. Установлено, что в цилиндре двигателей внутреннего сгорания
происходит «закалка» оксида азота NO на уровне максимальной
концентрации, т.е. в процессах расширения и выпуска продуктов
сгорания концентрация NO в них не изменяется [59]. Предполага
ется [59, 60], что в отработавших газах ДВС может содержаться свы
ше двухсот различных углеводородов.
В настоящее время в локомотивных депо сети дорог для экспе
риментальной оценки степени экологического воздействия локо
мотивов на окружающую среду используются пункты экологичес
кого контроля (ПЭК), оснащенные газоанализаторами процесса
сжигания топлива типа IMR1400 PL и Testo 350S, хроматографами
«Газохром 3101» и др.
Газоанализатором измеряют температуру выхлопных газов и ок
ружающей среды, количество двухатомного кислорода O2, моно
оксида углерода CO, оксидов азота NOx и углеводородов CnHm.
Дымность выхлопных газов измеряется на пунктах дымомерами
различной конструкции. Значения удельных, допустимых и пре
дельных норм выбросов вредных веществ с отработавшими газа
ми тепловозного дизеля ПД1М, указанные в различной техничес
кой документации по тепловозным ДВС, приведены в табл. 4.13.
Таблица 4.13
Нормативные экологические характеристики тепловозного дизеля ПД1М

268

В продуктах сгорания дизельного топлива среднего элементар
ного состава может содержаться около 36 различных химических
элементов [61], для количественного определения которых исполь
зуются уравнения материального баланса или уравнения равнове
сия, записанные в виде:
0,3746

αSC =

S SS
=
;
C SC
1

SO ;

1

2+

0,1678

C
H


S 
1,1082  O + 0,21 = O  ;

SN 

0,0839

C SC
=
,
H SH

где SO, SN, SC, SH, SS — число атомов соответствующих элементов в опреде
ленный момент процесса сгорания.

Связь между полным давлением смеси в камере сгорания в оп
ределенный jй момент рабочего цикла и парциальными давления
ми отдельных компонентов смеси задается уравнением Дальтона:
n

P z j = P zO + P zH + P zOH + ... + P zn = ∑ P zn ,
ji

ji

ji

ji

i =1

ji

где P zj — полное давление смеси в цилиндре двигателя для jмомента сгорания;
P zO P zH , ..., P zn
ji

ji

— парциальное давление iго элемента смеси для jго
ji

момента сгорания;
n — количество элементов в продуктах сгорания дизельного топлива.

Значения парциальных давлений каждого iго химического
элемента в продуктах сгорания топлива для определенного jго мо
мента рабочего цикла определяются по известной температуре сго
269

рания с использованием констант равновесия реакций диссоциа
ции газов, значения которых определяются по выражению

lgK ji  K 0  K1 n( X )  K 2 ( X )2  K 3 ( X )1  K 4 ( X ) 
ji

ji

ji

ji

ji

K 5 ( X )2  K 6 ( X )3  K 7 ( X )4  K 8 ( X )5  K 9 ( X )6  K10 ( X )7 ,
ji

ji

ji

ji

ji

ji

где X = Tzj /10 000 — температура рабочего тела для jго момента сгорания топ
лива, К;
K 0 , K1 , ..., K10 — коэффициенты для логарифмов констант равновесия
ji

ji

ji

iго элемента для jго момента сгорания.

Улучшение экологических характеристик тепловозного дизеля
(снижение вредных выбросов) возможно за счет периодического
контроля и настройки угла опережения впрыска топлива, при
уменьшении которого снижается максимальная температура сго
рания, что приводит к уменьшению концентрации в отработавших
газах концентрации окислов азота.
Значительное влияние на экологичность дизеля оказывают та
кие параметры работы топливной аппаратуры, как продолжитель
ность впрыска топлива и диаметр сопловых отверстий распылите
ля форсунки. При уменьшении продолжительности впрыска топ
лива снижается выделение сажи.
Рециркуляция отработавших газов приводит к снижению окис
лов азота вследствие уменьшения максимальной температуры сго
рания. Наибольший эффект достигается на малых и средних на
грузках дизеля. Негативные последствия рециркуляции отработав
ших газов проявляются в увеличении расхода топлива, количества
двуокиси углерода и дымности.
Применение водотопливной эмульсии приводит к существенно
му уменьшению содержания окислов углерода и азота, однако срок
службы деталей топливной аппаратуры при работе на топливных
эмульсиях значительно снижается.
Большое влияние на выделение токсичных веществ с отработав
шими газами оказывает организация процесса смесеобразования и
сгорания топлива, т.е. качество работы системы воздухоснабжения.
Таким образом, по результатам анализа химического и количе
ственного состава отработавших газов тепловозного дизеля можно
270

сделать заключение о характере и условиях протекания процесса
сгорания. Для диагностирования состояния тепловозных дизелей
по составу отработавших газов применяется хроматограф «Газо
хром 3101», газоанализатор Testo 350S и др.
Как дымность, так и сажесодержание зависят от конструкции
двигателя, режима его работы, рода используемого топлива, а так
же от технического состояния дизеля и его регулировок. Последнее
оправдывает использование анализируемых показателей в качестве
диагностических параметров. На практике имеет место их раздель
ное применение. Углубленное диагностирование требует комплекс
ного анализа состава аэрозоля одновременно по двум показателям:
дымности и сажесодержанию.
Действительно, причинами повышенной дымности может быть
превышение цикловой подачи, повышенные гидравлические со
противления впускной системы, частичное закоксование сопел
форсунки, увеличение или уменьшение теплового зазора клапан
ного механизма, неравномерность распределения топлива по ци
линдрам, снижение давления топлива при подъеме иглы форсун
ки, запаздывание впрыска топлива, потеря герметичности и ряда
других причин, обусловленных неисправностями систем питания,
газораспределения, впуска. В то же время причиной может быть
и попадание масла в камеру сгорания. Последняя неисправность
сказывается на дымности дизеля, но не окажет влияния на величи
ну сажесодержания отработавших газов.

271

Глава 5. ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МАШИН И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
ЛОКОМОТИВА
5.1. Технические средства диагностирования
электрических машин
Методы определения межвиткового замыкания в обмотках элект
рических машин. Межвитковое замыкание в обмотке якоря или ста
тора нарушает нормальную работу электрической машины. Относи
тельно большой ток, возникающий в короткозамкнутой секции под
воздействием наведенной ЭДС, способствует перегреву изоляции
и, как следствие, приводит к ее разрушению и пробою на корпус.
Наиболее простым методом определения дефектов в виде меж
виткового замыкания, обрывов, а также качества пайки проводни
ков обмотки к отводам («петушкам») коллекторных пластин явля
ется метод падения напряжения, основанный на законе Ома.
Для проверки обмотки якоря таким методом предварительно
собирают схему измерения, состоящую из источника питания по
стоянного тока 10—12 В, траверсы с контактными электродами по
шагу коллектора и милливольтметра со шкалой 0—50 мВ. Далее
посредством резистора устанавливают в обмотке якоря ток 8—10 А
и в шаговом порядке фиксируют падение напряжения между кол
лекторными пластинами. При исправном якоре отклонение стрел
ки прибора от средних показаний составляет не более 20 %. Значи
тельное падение напряжения сигнализирует о наличии в обмотке
межвиткового замыкания. Во избежание ошибок при слишком вы
соких или низких показаниях милливольтметра измерения следует
повторить.
При анализе результатов измерений следует иметь в виду следу
ющее: при исправной межвитковой изоляции и хорошем качестве
пайки якорной обмотки к «петушкам» коллекторных пластин показа
272

ния прибора будут практически одинаковыми с разницей 2—3 мВ.
В случае некачественной пайки или надрыва обмотки показание
милливольтметра будет намного больше среднего значения. При
обрыве обмотки стрелка прибора будет зашкаливать, а при замы
кании или низкой межвитковой изоляции показание прибора, как
уже отмечалось, будет значительно ниже среднего [5].
В настоящее время для выявления межвитковых замыканий
якорных обмоток вместо метода падения напряжения используют
импульсные установки типа ИУ57 (рис. 5.1). Преимущество таких
установок заключается в том, что при источнике небольшой мощ
ности между витками обмотки обеспечивается достаточно высокое
импульсное напряжение в пределах 480—500 В с частотой 50 Гц.
Установка ИУ57 имеет три вывода, которые во время испытаний
через высоковольтный трехжильный кабель подключают к подвиж
ным электродам А, Б и В дугообразного коммутатора, изготовлен
ного из изоляционного материала, обычно из текстолита.
Нечетное число коллекторных пластин между боковыми элект
родами А и В устанавливается в зависимости от типа якорной об
мотки и шага по пазам. Для якорей с волновыми обмотками число
коллекторных пластин должно быть 11—15, а для якорей с петле
выми обмотками 5—7. В частности, для тепловозных электродвига
телей типа ЭД118А в секторе между электродами А и В должно быть
семь коллекторных пластин.

Рис. 5.1. Схемы проверки импульсным напряжением обмоток якоря (а)
и обмоток катушек (б) электрических машин постоянного тока

273

В процессе испытаний обмотки якоря с использованием уста
новки типа ИУ57 центральный электрод Б коммутатора подклю
чают к выводу генератора импульсов, а боковые А и В — к осцил
лографу прибора (рис. 5.1, а). Такое подключение испытываемой
части обмотки якоря представляет собой мостовую схему. При этом
в одну диагональ моста подключен импульсный генератор, а в дру
гую диагональ — осциллограф. Следовательно, импульс напряже
ния, поданный на центральный электрод Б, при исправной якор
ной обмотке будет равномерно распределяться в плечах Б—А и
Б—В. В этом случае на экране осциллографа будет просматри
ваться практически прямая линия. Если сопротивление в плечах
Б—А и Б—В, которое изменяется в случае пробоя изоляции или
нарушения качества пайки, будет различным, то тогда на экране
осциллографа появится сигнал в виде затухающего колебания.
По такому же принципу производится контроль состояния ка
тушек главных и дополнительных полюсов электрических машин.
При этом в одно плечо мостовой схемы подключают исправную
(эталонную) катушку, а в другое — контролируемую (рис. 5.1, б).
Для уточнения дефектного места якорной обмотки в основном
используют метод поочередного замыкания коллекторных пластин.
Такой метод основан на том, что при замыкании пластин, между
которыми находятся витки с пробоем изоляции, изображение на
экране осциллографа практически не будет изменяться, а при за
мыкании пластин, между которыми находится исправная обмотка,
изображение на экране будет резко изменяться [66].
Следует отметить, что в настоящее время вместо осциллогра
фа используют индикатор в виде микроамперметра со шкалой 0—
100 µА. При такой модернизации импульсной установки процесс
контроля якорной обмотки значительно упрощается без особого
снижения точности определения дефектных обмоток якоря.
Для электрических машин переменного тока по аналогии с кон
тролем якорной обмотки машин постоянного тока можно выявлять
межвитковое замыкание статорной обмотки. С этой целью, напри
мер, трехфазную статорную обмотку подключают к импульсной
установке ИУ57 по схемам, приведенным на рис. 5.2, а, б и в.
При такой схеме подключения производится контроль статорной
обмотки в плечах мостовой схемы: в первом варианте в плечах
обмоток L1 и L2; во втором — L1 и L3; в третьем — L2 и L3.
274

Рис. 5.2. Схемы проверки импульсным напряжением статорной обмотки элек
тродвигателей переменного тока в плечах L1 и L2 (а), L1 и L3 (б), L2 и L3 (в)

Далее по аналогии с контролем якорной обмотки фиксируют по
осциллографу характер сигнала, т.е. если на экране осциллографа
просматривается практически прямая линия, то статорная обмот
ка считается исправной, а в случае появления сигналов в виде за
тухающих колебаний — неисправной. При этом для нахождения
места межвиткового замыкания следует использовать бесконтакт
ный метод контроля, приведенный ниже. В этом случае вместо ос
циллографа рекомендуется использовать стрелочный прибор (мик
роамперметр).
Испытание изоляции узлов электрических машин повышенным на
пряжением. В процессе эксплуатации после капитальных ремонтов
между изоляцией обмотки и железом якоря наблюдаются скрытые
дефекты в виде местного увлажнения изоляции и особенно в мес
тах микротрещин и микропор или в виде скопления в зазорах то
копроводящих загрязнений и т.д. Такие дефекты путем прозвонки
якорной обмотки мегомметром практически не обнаруживаются.
Поэтому для определения так называемого запаса электрической
прочности изоляции производят испытание изоляции повышен
ным напряжением. Испытание повышенным напряжением пере
менного тока применяется, главным образом, для контроля изо
ляции якорных обмоток, полюсных и других катушек [5].
Процесс проверки электрической прочности изоляции состоит
из очистки испытываемого объекта, прозвонки обмотки мегоммет
ром и подготовки стенда для испытания. Испытательное напряже
275

ние должно прикладываться к объекту в течение времени, доста
точном для развития частичных разрядов и даже развития разряда
до момента пробоя. При этом следует принять во внимание, что
проверка изоляции высоким напряжением не допускается, если
ее сопротивление относительно корпуса ниже установленной нор
мы. Например, минимально допустимое сопротивление изоляции
холодного якоря тягового электродвигателя должно быть не ме
нее 20 МОм.
Испытание узлов электрических машин начинают с напряжения,
величина которого не должна превышать 1/3 испытательной вели
чины, время повышения напряжения от половинного значения до
полного должно быть не менее 10 с. Далее полное испытательное
напряжение выдерживают в течение 1 мин, затем плавно снижают
до 1/3 испытательного и после отключают питание трансформато
ра испытательного стенда.
Величина испытательного напряжения устанавливается Прави
лами ремонта электрических машин электроподвижного состава
(ЭПС) или рассчитывается по выражениям:
Uисп = 1,7Uмакс + 1000 — для машин, выпускаемых из капиталь
ного ремонта;
Uисп = 0,75(1,7Uмакс + 1000) — для машин, выпускаемых из те
кущего ремонта.
Результаты испытаний относительно корпуса считают удовлет
ворительными, если во время испытаний не произошло пробоя изо
ляции или перекрытия обмоток разрядами.
При оценке состояния изоляции следует учитывать степень ее
увлажненности, так как возможны ошибочные решения о замене
тягового двигателя вместо восстановления его изоляции путем суш
ки. Степень увлажнения изоляции оценивают по коэффициенту
абсорбции Кабс:
К абс 

R60
R15

,

(5.1)

где R60 и R15 — сопротивления изоляции, измеренные через 60 и 15 с соответ
ственно.

Изоляция считается «сухой», если коэффициент Кабс = 1,5—2.
При Кабс  1,1—1,2 (температура окружающей среды 20±5 С) изо
ляция считается влажной и ее необходимо восстановить путем суш
276

ки. В настоящее время промышленностью выпускаются специаль
ные приборы типа ФУ100, которые позволяют с высокой точнос
тью определять сопротивление изоляции и коэффициент абсорб
ции.
В слоистом изоляционном материале, кроме явлений поляриза
ции, происходит медленное накопление зарядов на границах слоев,
что увеличивает диэлектрическую проницаемость. Процессы внут
рислоевой поляризации заметны при нагревании изоляции и осо
бенно при ее увлажнении.
Метод измерения абсорбционной емкости основан на сравне
нии емкостей изоляции, определенных при различных частотах при
ложенного напряжения. В частности, прибором типа ПКВ, функ
ционирующим на основе «емкость—частота», измеряют соотноше
ние емкости изоляции при частоте 2 и 50 Гц: при соотношении
емкостей С2/С50 больше 1,4 — изоляция увлажненная.
Состояние электрической изоляции определяют визуально по
внешним признакам, измерением ее сопротивления относительно
корпуса или между двумя проводниками, испытанием электричес
кой прочности [63].
Состояние изолированных проводников, находящихся в сбороч
ных единицах, определяют измерением их активного сопротивле
ния и сравнением его с действующими нормами. Механические
повреждения открытых участков неизолированных проводников
отыскивают визуально.
Различают сопротивление токопроводящей части в холодном и
горячем состоянии. За холодное состояние токопроводящей части
объекта принимают такое его состояние, при котором температура
любой части отличается от температуры окружающей среды не бо
лее чем на 3 С.
Активное сопротивление проводников определяют измеритель
ными мостами или методом «амперметрвольтметр». Чтобы устано
вить, находится ли измеряемое сопротивление в допустимых пре
делах, используют одинарные или двойные автоматические мосты,
а для определения процента отклонения сопротивления от номи
нального значения применяют одинарные или двойные процент
ные измерительные мосты.
На тепловозоремонтных предприятиях при контроле токопро
водящих частей определяют главным образом действительное зна
277

чение активного сопротивления проводников тока. Одинарным мо
стом измеряют сопротивления более 1 Ом, а двойным — менее 1 Ом.
Сопротивление изоляции относительно корпуса измеряют ме
гомметром. Этот прибор предназначен для измерений больших по
значению сопротивлений. Для измерений выбирают такой мегом
метр, напряжение, которого близко к рабочему напряжению токо
проводящей части.
Электрическую прочность изоляции проверяют повышенным
напряжением. Сущность контроля заключается в том, что к изоля
ции в течение определенного времени прикладывается напряжение,
значительно превышающее рабочее.
Для контроля состояния токопроводящих частей тепловозов в
условиях ремонтных предприятий наибольшее распространение
нашли следующие приборы, аппараты и установки:
– мегомметры типов M1101, M1102 и МС20 напряжением 500
и 1000 В;
– стенды для контроля электрической прочности изоляции:
А253 — для испытания изоляции аппаратов и А431 — для испыта
ния изоляции обмоток электрических машин, а также пробивная
передвижная установка А540;
– установка типа ИУ57 для контроля состояния и электричес
кой прочности межвитковой изоляции обмоток якорей и катушек;
– амперметры, вольтметры, двойные (универсальные) измери
тельные мосты постоянного тока Р329, Р316 для контроля состо
яния проводников тока и их соединений.
Технологией ремонта двигателей предусмотрен контроль вибра
ции, свидетельствующий о неисправностях, с помощью виброгра
фов. Но, учитывая современные требования к надежности двига
телей, наиболее достоверный контроль можно выполнить только
с помощью устройств диагностирования. Источником вибрации
могут быть неуравновешенность якоря, переменные магнитные
силы, неправильный монтаж, перекос в подшипниках и неточность
их установки, увеличенные радиальные зазоры и осевые разбеги
вала якоря и др. При разработке методики диагностирования не
обходимо выбрать такие датчики и средства, которые обладали бы
высокой помехозащищенностью, точностью и универсальностью.
Особое внимание должно уделяться выбору мест контрольных то
чек, где должна измеряться вибрация. Остов двигателя необходи
278

мо изолировать от жесткого фундамента толстой резиной или су
хим деревом, чтобы свести до минимума передачу вибраций от по
сторонних предметов. Вибропреобразователи в процессе диагнос
тирования не должны смещаться на корпусе относительно выб
ранных контрольных точек, так как это влияет на погрешность из
мерений. Таким образом, достоверность результатов измерений при
техническом диагностировании двигателей может быть получена
только при условии применения единой методики диагностирова
ния локомотива.
Немаловажное значение при диагностировании имеет частота
вращения вала якоря (ротора) двигателя. Для каждого типа двига
телей необходимо выбрать свою оптимальную частоту вращения и
эталонный вибросигнал для каждой контрольной точки. Вибросиг
налы, идущие от датчиков на измерительную аппаратуру, должны
проходить через частотные фильтры, которые отсеивают посторон
ние шумы, а также через усилители, если в них имеется необходи
мость, и аналогоцифровые преобразователи, если информация
должна пройти через микропроцессорные устройства.
В установках диагностирования тяговых электродвигателей по
виброакустическому методу (рис. 5.3) в качестве датчиков вибро
сигнала используются вибропреобразователи ИС, ПДУ, Д14, AH,

Рис. 5.3. Структурная схема установки для измерения вибропараметров тяго
вых электрических двигателей: 1—5 — датчики; 6 — коммутатор сигналов; 7, 8 —
усилители сигнала; 9 — шумомер Ш62; 10 — виброизмерительный прибор;
11 — милливольтметр В33; 12 — виброизмерительный прибор ПИУ1; 13 —
лучевой осциллограф Н115; 14 — электронный осциллограф С1; 15 — магни
тофон; 16 — «Силуэт»; 17 — ЭВМ

279

AB, АС, КД15 и КД23. Для визуального наблюдения за формой
вибросигнала установлены электроннолучевые осциллографы. Вся
информация накапливается на магнитной ленте или дискете. При
менение микропроцессорных устройств при диагностировании тя
говых двигателей позволило уменьшить размеры аппаратуры диаг
ностирования с одновременным расширением ее возможностей.
Согласно данным виброакустической диагностики основными
шумами двигателей являются: механические шумы, вызываемые
дисбалансом якоря, шумы изза погрешности в сборке роликовых
подшипников, а также изза трения щеток и ударов; магнитные
шумы, вызываемые магнитными полями в воздушном зазоре; аэро
динамические шумы, создаваемые при движении охлаждающего
воздуха по каналам двигателя. В спектре частот вибраций присут
ствуют многочисленные составляющие, которые отражают интен
сивность и характер динамических воздействий на корпусные дета
ли и несут диагностическую информацию в диапазонах частот от 70
до 15 000 Гц. При подборе датчиковвибропреобразователей следу
ет иметь в виду, что каждой детали соответствуют свои полосы ре
зонансных частот, которые определяются при экспериментах на аб
солютно исправных двигателях и принимаются за эталонные [64].
Переносные устройства диагностирования. Переносные приборы
дублируют операции диагностирования, которые выполняются ста
ционарными и бортовыми устройствами. Их можно стыковать для
передачи информации в память вычислительных устройств. К та
ким приборам можно отнести ИСП1 (индикатор состояния под
шипников) для диагностирования якорных подшипников тяговых
двигателей; прибор ДИПТ12, используемый для определения тех
нического состояния изоляции тяговых двигателей; электронный
мегомметр Ф4102/1 с приставками, позволяющими измерять не
только сопротивление, но и емкость и качество пропитки изоля
ции; устройство для измерения статического и динамического на
жатий щеток на коллектор, а также приборы для определения клас
са коммутации [5].
Прибор ИСП1 состоит из двух основных частей: индикаторного
щупа и электронного блока. В состав последнего входят калибро
ванный аттенюатор, широкополосный усилитель, пассивный фильтр,
пороговое устройство, ключ и генератор звуковых импульсов, а так
же устройства контроля напряжения (рис. 5.4). Комплект прибора до
280

полняется головными микро
телефонами ТОН2. Индика
торный щуп состоит из пред
варительного усилителя и ак
селерометра ABC 017.02.
Принцип работы индика
тора основан на регистрации
и измерении напряжения
высокочастотных импульсов
виброускорений, возникаю
щих в зоне подшипников.
Преимущество данного ме
тода заключается в том, что
на результаты измерений им
пульсов колебаний подшип
ника не оказывают влияния
частоты собственных колеба
Рис. 5.4. Индикатор состояния подшип
ний других деталей и двига
ников ИСП1:
теля в целом, уменьшая по 1 — резиновый амортизатор; 2 — крепле
ние ремня; 3 — неподвижная шкала; 4 —
грешность диагноза.
При диагностировании тумблер включения питания; 5 — место
подключения датчика; 6 — подвижная
якорных подшипников щуп шкала; 7 — бегунок; 8 — шкала; 9 — под
прибора располагается пер ключение подшипников; 10 — разъем бло
пендикулярно подшипнико ка питания; 11 — кабель датчиков; 12 —
вому щиту с постоянным сигнальный светодиод; 13 — индикатор
ный щуп; 14 — головка щупа
усилием, а вал якоря разго
няется до частоты вращения
500 об/мин и затем останавливается. Определив максимальную виб
рацию по шкале световой и звуковой сигнализации, сравнивают ее
с эталонной. Данные диагностирования должны накапливаться в па
мяти микроЭВМ или выноситься на печать. По интенсивности на
растания износа решают вопрос о виде и объеме ремонта [66].
Для контроля состояния электрической изоляции электродвига
телей необходим источник высокого напряжения для выявления де
фектных мест в изоляции и мест, имеющих предотказное состоя
ние. Принципиальная схема такого источника приведена на рис. 5.5.
Он получает питание от аккумуляторной батареи напряжением 50 В
или от сети переменного тока освещения канав напряжением 36 В.
281

Рис. 5.5. Принципиальная схема переносного прибора ДИПТ12 для диагнос
тирования изоляции электрических машин

Постоянное напряжение 50 В поступает на автономный инвертор,
выполненный на тиристоре VS1, динисторе VS2 и двух диодах VD5,
VD6, и преобразуется в переменное напряжение повышенной час
тоты (3 кГц). Затем оно повышается трансформатором Т1 и вып
рямляется диодами VD7—VD10.
Блок индикации включает в себя магнитоэлектрические прибо
ры для измерения испытательного напряжения РV, тока утечки РA
и схему их подключения (резисторы R5—R12), кнопки изменения
пределов измерений приборов SB2 и SB3. Плавное регулирование
выходного напряжения от 0 до 12 кВ осуществляется сначала рези
стором R4, а затем R1, частота инвертирования при этом повыша
ется [5].
Достоинством данного прибора является то, что значение испы
тательного напряжения мало зависит от сопротивления изоляции.
Кроме того, падающий характер нагрузочной характеристики пре
дотвращает срыв инвертирования и обеспечивает защиту прибора
от токов короткого замыкания при пробое или перекрытии испы
туемой изоляции. Как правило, дефект, вызывающий отключение
защиты, проявляется при напряжении 3—4 кВ. В момент перекры
тия или пробоя дефектного места напряжение установки начинает
снижаться, а ток утечки значительно возрастать. Это сопровожда
282

ется характерным треском и видимым разрядом. Наиболее хорошо
заметны светящиеся разряды по увлажненной и загрязненной по
верхности при ее перекрытии. Это позволяет быстро обнаружить
и устранить неисправность, а периодическая проверка изоляции
выявит характер снижения изоляционных свойств контролируе
мой изоляции [64].
Для объективной оценки состояния изоляции необходимо знать
не только ее сопротивление, но и электрическую емкость. Это по
зволяет судить о том, сухая или увлажненная изоляция. Есть спе
циальные приборы для измерения электрической емкости. К ним
относятся прибор контроля влажности ПКВ13 и мост переменно
го тока Р5026 (мост Шеринга). Однако измерение ими емкости
изоляции тяговых двигателей затруднено, так как сама изоляция
является полярным диэлектриком и при частоте 50 Гц эффект по
ляризации проявляется слабо. Поэтому такие приборы не нашли
широкого применения в депо. Исследования показали, что изме
рять емкость изоляции нужно при медленном измерении парамет
ров, например, напряжения саморазряда и возвратного напряже
ния.
Напряжением саморазряда называется напряжение, которое ос
тается на объекте после его отключения от источника высокого
напряжения. Характер его изменения представляет собой моно
тонно убывающую во времени экспоненциальную функцию. Чем
больше емкость изоляции при одном и том же значении ее сопро
тивления, тем медленнее снижается напряжение саморазряда. Зная
сопротивление изоляции и напряжение саморазряда, измеренное в
заданный момент времени, можно определить электрическую ем
кость. Возвратное напряжение также измеряют на отключенном
объекте, но после предварительного кратковременного разряда на
«землю» (в течение 5 с). Оно характеризует степень неоднородно
сти слоев изоляции. Поскольку напряжение саморазряда и воз
вратное напряжение измеряют на отключенном двигателе, то они
зависят только от параметров его изоляции и позволяют более
объективно судить о техническом состоянии изоляции по сравне
нию с оценкой только по ее сопротивлению [5].
Для измерения рассмотренных контрольных параметров необ
ходимо использовать универсальные приборы, например электрон
ный мегомметр Ф4102/1, дополненный вспомогательными блока
ми, расширяющими его функциональные возможности.
283

Серийно выпускаемый мегомметр Ф4102/1 (рис. 5.6) содержит
преобразователь высокого напряжения ПВН, измерительное устрой
ство, выполненное на операционном усилителе DA1, и дополни
тельные устройства, состоящие из делителя напряжения на резис
торах R4 и R5, разрядного резистора R6, переключателей SA1 и SA2,
усилителя измеряемого напряжения на двух операционных усили
телях DA2 и DА3, блока управления БУ и блока индикации БИ.
Усилитель измеряемого напряжения выполнен как устройство сле
жения и хранения, которое осуществляется с помощью ключа K и
запоминающего конденсатора С5. Блок управления состоит из за
дающего таймера, счетчика импульсов и дешифратора. Он позво
ляет поочередно измерять сопротивление изоляции, напряжение
саморазряда и возвратное напряжение [66].
О режиме работы сигнализируют светодиоды блока индикации
БИ, расположенные на панели прибора. Все блоки прибора совме
стимы по значению напряжения и выполнены на интегральных
микросхемах, что дает возможность на перспективу соединять при
бор с микропроцессорными устройствами.
На качество работы коллекторнощеточного узла большое влия
ние оказывает биение коллектора, поэтому при диагностировании

Рис. 5.6. Схема электронного мегомметра

284

узла необходимо ввести его в систему диагностических параметров.
Для определения биения коллектора используются токовихревые
датчики (рис. 5.7), которые позволяют снимать информацию бес
контактным методом. Датчик 1 устанавливается над коллектором 4
на определенном расстоянии и при вращении последнего инфор
мация снимается с обмоток датчика, усиливается, преобразуется и
поступает на измерительное устройство 2 и осциллограф 3 [5].
Тяговые электрические машины являются основными силовы
ми элементами локомотива, обеспечивающими его работоспособ
ность и определяющими свойства, характеристики и техникоэко
номические показатели локомотива в целом. При диагностировании
тяговых электрических машин одним из актуальных вопросов явля
ется объективная оценка их коммутационной устойчивости, кото
рая определяется уровнем искрения щеток.
Изучению процесса коммутации посвящено много работ и име
ется обширная литература. Сущность коммутации отражает так на
зываемая классическая теория коммутации, сформулированная еще
в трудах Э. Арнольда. Более современная теория оптимальной ком
мутации предложена научной школой профессора М.Ф. Карасева,
в рамках которой разработаны различные приборы, позволяющие
оценить уровень искрения щеток. Среди них следует назвать следу
ющие: индикатор ИИ1 с использованием фотоэлектрического эф
фекта дуги; индикатор ИИ5, реагирующий на высоковольтную со
ставляющую напряжения между разнополярными щетками; инди
катор ИИ с дополнительной щеткой, измеряющей напряжение ду
ги; индикатор ИЭ, измеряющий мощность дуги и др.

Рис. 5.7. Устройство диагностирования коллектора по его биению

285

С использованием этих приборов осуществляется оценка техни
ческого состояния главных генераторов и тяговых электродвигате
лей, а также настройка оптимальной коммутации.
Все перечисленные методы диагностирования требуют неболь
шого числа контролируемых параметров. Но для достоверной и все
объемлющей информации необходимо все диагностические пара
метры объединить в общую систему с учетом их взаимозависимос
тей, чтобы обеспечить надежную работу в эксплуатации и опреде
лить ресурс всех узлов тягового электродвигателя.
Правильность количественной и качественной оценок надежно
сти электродвигателей во многом зависит от того, насколько полно
и объективно выбранные диагностические параметры отражают их
техническое состояние. Поскольку тяговые электродвигатели пред
ставляют собой закрытую систему, лишенную прямого доступа к
внутренним элементам, была разработана автоматизированная си
стема их диагностирования (рис. 5.8). Все параметры тягового элек
тродвигателя подразделяются на три группы:
– значения дискретных параметров, паспортные и техничес
кие данные (заводской номер, дата проведения диагностирова

Рис. 5.8. Структурная схема автоматизированной системы диагностики
электрических машин

286

ния и ремонта, пробег от последнего ремонта, место последнего
ремонта и др.);
– значения дискретных параметров испытаний тяговых элект
родвигателей (сопротивление изоляции, сопротивление обмоток
и др.), при этом сопротивление изоляции контролируется по не
скольким параметрам;
– основные аналоговые параметры испытаний двигателей (токи
якоря и обмотки возбуждения, напряжение на коллекторе, парамет
ры искрения щеток, вибрация в вертикальных и горизонтальных
плоскостях, профиль коллектора, частота вращения и др.) [64].
Все эти параметры контролируются рассмотренными ранее при
борами, которые при диагностировании с использованием микро
ЭВМ являются неотъемлемой частью автоматизированного комп
лекса диагностирования, располагающегося в основном на испы
тательной станции.
Информация, приходящая от различных приборов и датчиков,
расположенных на испытательной станции или вмонтированных в
конструкцию тяговых электродвигателей, должна поступать в ЭВМ
в виде, пригодном для ее обработки. Для преобразования инфор
мации из аналоговой формы в цифровую используются аналого
цифровые преобразователи, а для распределения информации и
подачи на ЭВМ в определенной последовательности служат бес
контактные коммутаторымультиплексоры и демультиплексоры.
Все эти устройства выполняются в виде больших интегральных
микросхем (БИС). Важным условием выбора соответствующих эле
ментов является соответствие скорости преобразования и скорости
обработки информации в ЭВМ или микропроцессоре. Программа,
по которой ведется диагностирование, записывается в блоки па
мяти, выполненные на базе БИС. Использование микропроцес
соров и БИС памяти позволяет расширить возможности средств
диагностирования, увеличить скорость обработки информации и
иметь банк данных о техническом состоянии каждого диагности
руемого объекта [5].
Для удобства диагностирования электродвигатели сортируют на
три категории: первая — аварийные двигатели, которые сразу от
правляют на разборку и ремонт; вторая — двигатели, у которых от
сутствуют какиелибо признаки неудовлетворительной работы кол
лекторнощеточного узла; третья — двигатели с наличием таких
287

признаков. Двигатели каждой категории должны проходить свой
технологический цикл ремонта и испытаний. Двигатели первой ка
тегории, имеющие механические повреждения, разрушенные изо
ляцию и коллекторнощеточный узел, сразу необходимо направ
лять в электромашинный цех, а после ремонта — на испытательную
станцию, где они проходят полный цикл испытаний. Двигатели
второй и третьей категорий должны подвергаться предваритель
ному диагностированию для определения потенциальной и комму
тационной устойчивости, состояния изоляции и подшипников, а
при необходимости — стабильности электромеханических, тепло
вых и вентиляционных характеристик тяговых электродвигателей.
Если двигатели второй категории после предварительного диагно
стирования отправляют в электромашинный цех, то двигатели тре
тьей категории — на испытательную станцию и только после этого
в электромашинный цех с рекомендациями по устранению дефек
тов (рис. 5.9) [66].

Рис. 5.9. Структурная схема автоматизированного процесса отбраковки
тяговых электродвигателей при диагностировании

288

Таким образом, данная методика контроля качества ремонта тя
говых электродвигателей кроме повышения надежности в эксплу
атации позволяет: собирать и накапливать информацию о двигате
лях в виде протоколов испытаний с последующим анализом и про
гнозированием ресурса; формировать экипаж локомотива тяго
выми двигателями с учетом качества коммутации, оцененной при
стендовых испытаниях; выявлять двигатели с аномальными про
явлениями в работе коллекторнощеточного узла, восстанавливать
их нормативные параметры.
Прогнозирование ресурса любого узла тягового электродвигате
ля связано с его предельно допустимыми параметрами и характе
ром нарастания отказа. Эти данные являются эталонными для
программы диагностирования и устанавливаются по результатам
экспериментальных исследований. Эталонные значения получа
ют для каждой серии тяговых электродвигателей или вспомога
тельных машин и используют для сравнения с текущими значе
ниями [5].
Так как характер нарастания износа зависит от многих парамет
ров, то для определения объективной зависимости необходимо ис
пользовать статистические данные, а для построения кривых —
микропроцессорную технику, используя вспомогательные алгорит
мы диагностирования.

5.2. Диагностирование электрических аппаратов
На локомотивах электрические аппараты работают в сложных
условиях. По этой причине они представляют собой устройства с
относительно невысокой надежностью и низкой контролепригод
ностью, требующие большого количества датчиков при диагности
ровании. При этом, соответственно, требуется значительное число
контрольных точек, тестовых сигналов, что затрудняет контроль
их технического состояния и получения достоверных данных.
Если диагностирование цепей управления локомотивом и низ
ковольтной аппаратурой необходимо проводить встроенными сред
ствами, то диагностирование групповых контакторов предпочти
тельнее выполнять на специализированных стендах, на которых
установлены постоянные или временные датчики. Особенно важ
ное значение имеет наличие на локомотиве постоянных средств кон
троля за состоянием цепей управления, обеспечивающих надеж
289

ность локомотива в условиях эксплуатации. Для оперативного об
наружения неисправностей в электрической схеме локомотива не
обходимо иметь быстродействующие автоматизированные средства
технического диагностирования, которые дают возможность быст
ро отыскать отказ в схеме.
Таким образом, для проверки технического состояния электри
ческих аппаратов целесообразно использовать как стационарные,
так и встроенные средства технического контроля. Большинство
электрических аппаратов при их большом разнообразии имеют
много общих параметров, что позволяет использовать автомати
зированные системы контроля. Такими параметрами являются:
– качество электрического контакта;
– омическое сопротивление электрической изоляции;
– активное сопротивление обмоток;
– контактное нажатие и т.д.
Разработка и выбор датчиков для получения сигналов и преобра
зования их в форму, удобную для передачи на средства обработки
полученной информации, является первостепенной задачей. Они
должны иметь небольшие размеры, высокую помехоустойчивость
и надежность, а также обеспечивать точность измерений при диаг
ностировании.
Все электрические аппараты, в том числе и силовые контакто
ры, работающие в сложных условиях, подвергаются влиянию агрес
сивных сред, вибрации и воздействию других отрицательных фак
торов, одним из которых является процесс гашения дуги при раз
мыкании контактов. Износ контактов при гашении дуги подчиня
ется следующей зависимости:
δ = (С1 +С2)n,

(5.2)

где C1, C2 — коэффициенты пропорциональности износа контактов, соответ
ственно при включении и выключении контактора;
n — число включений контактора.

При определении предельного износа необходимо учитывать
материал контактов, их форму, особенности системы дугогашения,
параметры кинематической системы, динамику его работы и элек
трические параметры. Это позволяет выбрать наиболее информа
тивный параметр, который определяет переходное сопротивление
в зоне контакта Rпер. Со снижением качества контакта увеличи
290

вается переходное сопротивление, а следовательно, и падение на
пряжения на контакте при большом токе. При этом происходит
рост температуры в зоне контакта с последующим его перегре
вом и оплавлением. Из сказанного следует, что в этом случае
необходимо использовать диагностический параметр, который оце
нивает качество контакта, и метод его определения. В зоне повы
шенной температуры контактов наблюдается инфракрасное излу
чение, которое можно зафиксировать специальными приборами
(болометрами) [63].
В процессе эксплуатации система приводов коммутационных
аппаратов изменяет свои первоначальные параметры, приводящие
к нарушению правильного функционирования контакторов, что
проявляется снижением контактного нажатия, времени срабаты
вания, нарушением очередности секвенции (порядка включения
электроаппаратов) групповых контакторов. При диагностировании
электромагнитных и электропневматических контакторов исполь
зуется стенд, состоящий из стационарного измерительнорегист
рационного устройства (рис. 5.10, а) или переносных устройств,
подключаемых к контрольным точкам. Стенд имеет четыре поста,
к которым подключается переносное устройство. Процесс изме
рений электрических аппаратов одной секции локомотива длится
несколько минут. При этом с пульта управляют работой стабили
затора (рис. 5.10, б), аналоговоцифрового преобразователя (АЦП),
масштабизатора и печатающего устройства (ЦПУ). Компенсатор
служит для компенсации влияния соединительных проводов, пере
ходных сопротивлений, а также для формирования выходного сиг
нала, пропорционального измеряемому сопротивлению. Схема
разбивается на небольшие участки. Процесс проверки начинает
ся с исходной точки и заканчивается записью результатов изме
рения всех параметров.
Применение средств технического диагностирования при ре
монте локомотивов позволяет предупредить отказы силовых цепей.
Скрытые дефекты в электрических проводах, в местах силового кон
такта можно обнаружить с помощью специальных устройств, ис
следуя состояние каждого электрического соединения и контакта.
Техническое состояние электрических соединений в силовых це
пях локомотивов позволяет определять прибор, схема которого
291

Рис. 5.10. Структурные схемы стационарного измерительнорегистрирующего
устройства (а) и системы управления (б) процессом диагностирования элект
рических аппаратов и силовых электрических цепей:
1 — измерительный контакт; 2 — базовый зажим; 3 — контрольная лампа «Из
мерение»; 4 — кнопка «Пуск»; 5 — щуп измерительный

292

приведена на рис. 5.11. В нем имеется щуп из латунного прутка с
серебряным наконечником и медная струбцина. Перед испытани
ем прибор настраивается в комплекте с измерительными провода
ми резистором R9 (стрелка шкалы прибора устанавливается на «0»).
Резистором R17 проводится калибровка прибора. Значение изме
ряемого тока 0,5—1,0 А, а диапазоны измерений сопротивления
изоляции 0—50 и 0—500 мОм [64].
Прибор подключается к аккумуляторной батарее локомотива.
Аппарат технологичен и имеет небольшую массу. Проверка зак
лючается в постепенном касании щупом всех точек, где имеется
электрический контакт (соединение) с записью информации в
память микропроцессорных устройств. Для этого используется
микроЭВМ «Электроника ДЗ28» (возможно использование и
других микроЭВМ). Рабочая программа написана на языке
«Basic». Программа предусматривает работу с информацией в ре
жиме диалога и реализует ввод информации, ее считывание с маг
нитной ленты, редактирование, запись на магнитную ленту, вывод
на дисплей и печать. Вся информация фиксируется на электрон
ных носителях информации.
Групповые (многопозиционные) переключатели широко применя
ются на тяговом подвижном составе. Их основным достоинством
является строгая очередность срабатывания в процессе эксплуата
ции. Однако с течением времени увеличивается износ их механи

Рис. 5.11. Принципиальная схема переносного прибора для диагностирования
контактов

293

ческой части (рис. 5.12, а, б), который приводит к нарушению оче
редности замыкания контактов [5].
При техническом обслуживании групповых переключателей же
лательно использовать стационарные средства. Все групповые пе
реключатели обладают низкой контролепригодностью и надежно
стью. Для диагностирования групповых переключателей следует
выбрать такие параметры, чтобы их можно было легко определить
и использовать для обработки в микропроцессорных устройствах.
При диагностировании развертки кулачковых шайб необходимо

Рис. 5.12. Диагностирование групповых многопозиционных переключателей:
а — взаимодействие ролика и кулачковой шайбы; б — определение числа кон
тактов позиции; в — конструкция лимба с контактными (К) и бесконтактными
(БК) устройствами получения эталонного сигнала; г — детали конструкции
получения эталонного сигнала

294

иметь эталонный параметр, с которым можно было бы сравнивать
полученную величину. Эталонный параметр можно получить с по
мощью специального лимба (рис. 5.12, в), разбитого на N позиций.
Угол между позициями
α поз =

360
, град.
N

(5.3)

На каждой позиции на лимбе наносятся метки К фиксирован
ного положения в виде отрезка контактного медного провода или
небольшого отверстия БК или БК′ (последнее имеет продолгова
тую форму, определяющую размер допуска). Эталонный сигнал,
полученный контактным или бесконтактным способом (рис. 5.12, г),
через усилители поступает на элемент сравнения, где сравнивается
с полученным сигналом числа замкнутых контактов на проверяе
мой позиции.
Для получения сигнала технического состояния кулачкового ва
ла можно воспользоваться резисторной матрицей (рис. 5.13, а), рас
считанной таким образом, чтобы на каждой позиции при правиль
ном замыкании контактов суммарное сопротивление резисторов
было одинаковым. Это позволяет процесс диагностирования пере
вести в автоматический режим. Если хотя бы один контакт не зам
кнется на фиксированной эталонной позиции, то суммарное соп

Рис. 5.13. Схемы диагностирования развертки кулачкового вала (а) и электро
пневматического привода (б):
ЭС — элемент сравнения; У — усилитель; УВМ — управляемый мультивибра
тор; РК1, РК2 — электропневматические вентили

295

ротивление изменится, а следовательно, изменится значение сиг
нала технического состояния iд, а при сравнении его с эталонным
iэт, получим разностную величину i, которая и будет характеризо
вать качество развертки кулачковых шайб.
Диагностирование привода группового контактора необходимо
выполнять параллельно с диагностированием развертки кулачкового
вала, используя для этого управляемый мультивибратор (рис. 5.13, б),
которым можно задавать управляющие импульсы для электропнев
матических вентилей любой необходимой частоты.

5.3. Поиск неисправностей электрических цепей
Надежная работа локомотива во многом зависит от исправного
состояния цепей управления. Известно, что большое количество
неисправностей приходится на электрические аппараты и цепи уп
равления тягового подвижного состава. В процессе эксплуатации в
основном проявляются такие отказы, как отсутствие контакта,
пробой изоляции, оплавление контактов и их перегрев, нарушение
целостности электрических цепей, обрыв проводов. Наиболее ин
формативными диагностическими параметрами цепей управления
будут параметры, характеризующие наличие целостности цепи, ка
чество контакта и отсутствие короткого замыкания [64].
Диагностирование цепей управления выполняют с помощью мик
роЭВМ (рис. 5.14). Переносной блок УСДН148 состоит из програм
мируемого микроконтроллера, контроллера накопления электрон
ных паспортов (НЭП), клавиатуры и индикатора, который нахо
дится в кабине машиниста и подключается к локомотиву через
разъемы кабелем. На локомотиве должна быть бортовая система
для диагностирования цепей управления, которая позволит маши
нисту в критических ситуациях отыскать место дефекта.
К средствам технического диагностирования цепей управления
локомотивов предъявляются следующие требования:
– надежность работы в условиях эксплуатации и при ремонте;
– приемлемая скорость диагностирования и достоверность ре
зультатов;
– обеспечение связи с внешними и внутренними системами ди
агностирования.
Алгоритм диагностирования цепей управления локомотива пре
дусматривает разбивку схемы на отдельные функциональные бло
296

Рис. 5.14. Структурная схема диагностирования цепей управления локомотива
с помощью микроЭВМ: НЭП — накопитель на электронных платах

ки. Для каждого блока разрабатывается логическая схема, в ко
торой выбирают контрольные точки и присваивают им соответ
ствующий номер. Порядок нумерации определяется очередностью
срабатывания электрических аппаратов и замыканием блокировоч
ных контактов. Каждая контрольная точка должна иметь выход на
узел стыковки с устройством диагностирования [66].
В настоящее время на тяговом подвижном составе используют
несколько вариантов устройств диагностирования цепей управле
ния.
В условиях депо наиболее простым и общедоступным устрой
ством обнаружения дефекта в цепях управления является лампочка
(или пробник), с помощью которой достаточно быстро можно оп
ределить неисправность (лампочка загорается при наличии кон
такта и наоборот). Такой способ определения дефекта в цепях уп
297

равления позволяет за корот
кое время проверить всю схе
му локомотива.
Схема устройства для диаг
ностирования с использовани
ем резисторов, количество ко
торых зависит от числа конт
рольных точек, приведена на
рис. 5.15. Резисторы подклю
Рис. 5.15. Принципиальная схема
чаются к контрольным точкам
определения отказов в цепи управления
и измерительному прибору, на
шкале которого обозначены
номера соответствующих контактов. При замыкании всех контак
тов ток в цепи реле (Р) максимальный и стрелка прибора отклоня
ется на максимальный угол, что соответствует исправному состоя
нию электрической цепи. В случае несрабатывания одного из кон
тактов стрелка прибора остановится в точке незамкнувшегося кон
такта.
При ремонте в условиях депо используются устройства для диа
гностирования с элементами памяти на тиристорах (рис. 5.16, а) и
на светодиодах (рис. 5.16, б). В первом случае при отсутствии от
каза в электрической цепи локомотива светодиоды не светятся.
В случае наличия отказа в одной из точек светодиод светится. При
снятии напряжения в рабочей цепи элемент памяти (тиристор)
запоминает контрольную точку в месте отказа [5].
Во втором случае в процессе диагностирования высвечивается
вся электрическая цепь локомотива после нажатия кнопки SB.
В случае нарушения целостности диагностируемой электрической
цепи или утечки тока на корпус светодиод о состоянии контрольной
точки не сигнализирует (не светится). Недостатком этого устрой
ства является возможность выхода из строя светодиода, что приво
дит к ложной сигнализации и невозможности использования для
совместной работы с микропроцессорными устройствами.
С точки зрения совместной работы с микропроцессорными уст
ройствами наибольший интерес представляет прибор, выполнен
ный на интегральных микросхемах (рис. 5.17). На диагностируемый
блок посылается тестовый сигнал, который, пройдя через диоды
VD21—VD40, поступает на диоды Dтриггеры, после срабатывания
298

Рис. 5.16. Принципиальная схема устройства диагностирования цепи управле
ния локомотива с памятью на тиристорах (а) и светодиодах (б)

299

Рис. 5.17. Принципиальная схема прибора диагностирования цепей управле
ния локомотива на интегральных микросхемах

которых сигнал с выхода Q запускает генератор тактовых импуль
сов D11 и цифровой индикатор (D13—D15). Отсутствие электри
ческого контакта проверяемой цепи определяется по показанию
индикатора (номер контрольной точки). При обнаружении в про
веряемой цепи нескольких отказов поступают следующим образом:
устраняют первый отказ, устройство возвращают в исходную пози
цию, нажимают кнопку «Пуск», в результате чего осуществляется
повторный обход контрольных точек до отыскания следующего от
каза. После завершения контрольных проверок оценивается каче
ство устранения первого и последующих отказов.
Данное устройство с контрольными точками диагностируемой
цепи соединяется с помощью штепсельных разъемов, что дает воз
можность определить качество изоляции электрических проводов.
300

5.4. Системы контроля и диагностики
электрооборудования локомотивов
5.4.1. Система контроля и диагностики «Доктор030M»
Система контроля и диагностики (СКД) «Доктор030М» пред
назначена для измерения активного сопротивления постоянному
току, индуктивности, временных интервалов срабатывания комму
тационной аппаратуры, измерения сопротивления нагрузки низ
ковольтных цепей, коэффициентов трансформации электричес
ких машин постоянного тока и трансформаторов, а также для вы
дачи напряжения постоянного и пульсирующего тока, использу
емых для диагностирования и настройки электрических цепей,
узлов и аппаратов локомотивов. В результате сбора и обработки
полученной информации выполняется прогнозирование отказов
коммутационной аппаратуры и электрических машин.
Система контроля и диагностики «Доктор030М» позволяет про
водить диагностирование электрооборудования локомотивов раз
личных модификаций грузовых и пассажирских электровозов,
электропоездов и тепловозов, а также других подвижных транс
портных единиц и стационарного электрооборудования. Комплекс
широко используется в электроаппаратных и электромашинных
цехах локомотивных депо для диагностики оборудования, подле
жащего ремонту и выходному контролю после проведения ремон
та. Для локомотивов серии ЭР2 в режиме Экспрессдиагностиро
вания имеется возможность подачи управляющих сигналов через
жесткие контактные системы соединения (ЖОКС) по системе мно
гих единиц (СМЕ) в цепь управления.
Питание СКД «Доктор030М» может осуществляться от сети
постоянного тока напряжением от 45 до 300 В или от сети перемен
ного тока напряжением от 45 до 230 В.
Для удобства пользования в приборе применены USBразъемы,
что позволяет переносить информацию при помощи Flashносите
ля. Прибор имеет большую надежность, чем аналоги предыдущего
поколения. Это обусловлено применением более современной ма
теринской платы, заменой операционной системы и программного
обеспечения.
Габаритные размеры СКД «Доктор030М» 360×275×150 мм, мас
са не более 7 кг.
301

При помощи СКД экспрессконтроль оборудования проводится
в течение 20—30 мин с последующим выявлением неисправных уз
лов и агрегатов и дальнейшей их локализацией. СКД позволяет из
мерять параметры электрических аппаратов, производить обработ
ку и вывод результата на встроенный ЖКИ дисплей, печатающее
устройство, а также накапливать и передавать данные о техничес
ком состоянии подвижных единиц в единую базу данных диагнос
тических устройств, для их дальнейшей обработки, прогнозирова
ния и определения объемов ремонта тяговых подвижных единиц.
Управление работой «Доктор030М» производится с помощью
пульта дистанционного управления, либо с помощью стандартной
клавиатуры, подключаемой к базовому блоку.
СКД «Доктор030М» представляет собой аппаратнопрограмм
ный диагностический комплекс, состоящий из базового блока, в
котором установлен промышленный компьютер, источники пита
ния, жидкокристаллический дисплей, и набора сменных измери
тельных модулей, осуществляющих измерения соответствующих
параметров и передачу данных в компьютер базового блока.
Функционирование СКД «Доктор030М» осуществляется под
управлением программного обеспечения, часть которого располо
жена в компьютере базового блока, а другая часть, ответственная за
измерение и передачу параметров, находится непосредственно в
микропроцессорах, установленных в измерительных модулях.
СКД «Доктор030М» имеет встроенную систему тестирования
измерительных модулей, которая производит калибровку и настрой
ку модулей СКД «Доктор030М» при включении питания системы,
повышает надежность и достоверность измерения соответствующих
параметров.
СКД «Доктор030М» контролирует следующие параметры обо
рудования:
– межвитковые замыкания якорей и обмоток возбуждения дви
гателей;
– состояние и качество установки щеток в электрических маши
нах постоянного тока;
– состояние якорной цепи и обмоток возбуждения;
– межвитковые замыкания катушек реле, контакторов и др. маг
нитных систем;
– время срабатывания коммутационной аппаратуры;
302

– переходное сопротивление контактов контакторов и реле;
– состояние пусковых сопротивлений;
– проверка секвенции аппаратов от контроллера машиниста;
– экспрессдиагностика — локализация отклонений параметров
электрических цепей.

5.4.2. Система контроля технических характеристик
токосъемников ОКОПГ
Система состоит из электромеханического блока (ЭМБ) и пере
носного терминала оператора. Электромеханический блок устанав
ливается на диагностируемый токосъемник, а управление произво
дится оператором при помощи терминала посредством беспровод
ной связи. В процессе диагностики оператор находится за органа
ми управления токосъемником (рабочее место, кабина машиниста
и т.д.), данные процесса диагностики (усилие нажатия, времени,
положения токосъемника, команды на поднятие/отпуск, результа
ты диагностики) в реальном времени передаются от ЭМБ и отобра
жаются на дисплее терминала оператора.
Уставки параметров диагностики автоматически назначаются
при выборе типа проверяемого оборудования. Программное обес
печение, установленное на терминале оператора, позволяет произ
водить автоматическое сравнение уставок с действительными зна
чениями параметров, построение графиков усилий при снятии ста
тической характеристики и их сравнение с уставками.
Система контролирует следующие параметры.
1. При снятии статической характеристики токосъемника (уси
лие нажатия на контактный провод в диапазоне рабочей высоты):
– максимальное усилие нажатия на контактный провод при
пассивном (нисходящем) движении;
– минимальное усилие нажатия на контактный провод при ак
тивном (восходящем) движении;
– максимальная разность значений при нисходящем и восходя
щем движениях токосъемника в диапазоне рабочей высоты;
– максимальная разность усилия нажатия восходящего и нисхо
дящего движения в каждой точке диапазона рабочей высоты.
2. При измерении временных характеристик:
– время подъема подвижной системы от сложенного состояния
до достижения значения наибольшей рабочей высоты;
303

– время опускания подвижной системы от значения максималь
ной рабочей высоты до достижения сложенного состояния.
3. При контроле геометрических параметров:
– высота максимального подъема токосъемника.
Система ОКОПГ предназначена для контроля технических ха
рактеристик токосъемников ЭПС (табл. 5.1) на ремонтных участ
ках, а также непосредственно на локомотиве, при нахождении его
вне контактной сети. Встроенная база данных позволяет произвес
ти идентификацию исполнителя, качественную оценку процесса
диагностики и автоматическую загрузку данных по беспроводной
связи на сервер рабочего места мастера для формирования элект
ронного паспорта локомотива. Возможно применение как в соста
ве диагностических комплексов ОКО различных конфигураций,
так и отдельной системой.
Таблица 5.1
Контролируемые параметры токосъемников

Электропневматический блок имеет автономное питание от бы
стросменной АБ, габаритные размеры 300×280×200 мм, массу — не
более 8,0 кг.
Переносной терминал оператора питается от встроенной АБ,
имеет габаритные размеры 120×70×20 мм и массу 0,15 кг.
В состав системы ОКОПГ входят: переносной терминал операто
ра, переносной электромеханический блок, две быстросменные акку
муляторные батареи (АБ), блок питания для зарядки переносного
терминала оператора, зарядное устройство для быстросменных (АБ).

5.4.3. Система проверки секвенции силовых низковольтных
цепей локомотивов ОКОE
Система состоит из измерительного модуля и переносного тер
минала оператора. Измерительный модуль посредством щупов
подключается к измерительной цепи, при помощи переключателя
304

выбираются параметры измерений, управление измерением произ
водится исполнителем c терминала по беспроводной связи. В про
цессе диагностики оператор находится за органами управления
(контроллер машиниста), выбирая необходимую проверку из спис
ка на терминале; оператор устанавливает необходимый режим
нагрузки цепей и нажатием кнопки на экране терминала дает ко
манду на сохранение измеренных данных. Данные диагностики,
полученные с измерительного модуля сохраняются в памяти тер
минала оператора согласно выбранным проверкам. По результа
там измерений автоматически строится график (отображаемый на
дисплее), который сравнивается с эталонным графиком для элект
рической цепи данного типа, загруженным в прибор.
Система применяется для контроля следующих параметров
(табл. 5.2):
– проверка секвенции силовых электрических цепей и целей
управления;
– измерение переходных сопротивлений коммутационных ап
паратов;
– измерение сопротивлений дугогасительных катушек.
Таблица 5.2
Контролируемые параметры электрических цепей

Система ОКОЕ предназначена проверки секвенции силовых и
низковольтных цепей локомотивов, электрических параметров ма
шин и аппаратов. Встроенная база данных позволяет произвести
идентификацию исполнителя, качественную оценку процесса ди
агностики и автоматическую загрузку данных по беспроводной свя
зи на сервер рабочего места мастера для формирования электрон
305

ного паспорта локомотива. Возможно применение как в составе диа
гностических комплексов ОКО различных конфигураций, так и от
дельной системой.
В состав системы ОКОЕ входят: переносной терминал опера
тора, переносной измерительный блок, блок питания для зарядки
переносного терминала оператора.
Измерительный модуль имеет автономное питание от сменных
аккумуляторов, габаритные размеры 26010565 мм и массу — не
более 1,0 кг.
Переносной терминал оператора питается от встроенной АБ,
имеет габаритные размеры 1758030 мм и массу — 0,25 кг.

5.4.4. Система контроля качества изоляции силовых кабелей,
распределительных устройств, двигателей и генераторов
ОКОМ
Система ОКОМ предназначена для контроля качества изоля
ции силовых кабелей, распределительных устройств, двигателей и
генераторов с тестовым напряжением от 250 до 5000 В при испыта
ниях ТЭД и электрических цепей локомотивов. С помощью систе
мы можно производить различные виды измерений — от простей
ших точечных измерений и проверки на обрыв до тестирования на
устойчивость изоляции во времени. Система оснащена программи
руемым устройством, регистрирующим результаты измерений с воз
можностью последующей передачи результатов на персональный
компьютер и анализа результатов с помощью ПО терминала опера
тора.
Система обеспечивает выполнение следующих функций:
– подачу тестового напряжения 250, 500, 1000, 2500, 5000 В
(табл. 5.3);
– измерение сопротивления до 1 ТОм;
– измерения емкости изоляции и кабеля;
– измерение токов утечки.
Система имеет встроенные функции:
– защита от поверхностной утечки тока при измерении высоко
го сопротивления;
– сигнализация о наличии тока в измеряемой цепи до 600 В с
отображением типа напряжения — постоянного или переменного;
– плавное увеличение тестового напряжения от 0 до 5000 В при
тестировании на пробой;
306

– измерение диэлектрической проницаемости и индекса поля
ризации с помощью таймера.
Таблица 5.3
Характеристики тестового напряжения

Система ОКОМ обеспечивает хранение 99 результатов измере
ний. Каждое сохраненное значение имеет уникальное четырехзнач
ное цифробуквенное обозначение, задаваемое пользователем, для
облегчения дальнейшего воспроизведения. Большой цифровой/
аналоговый ЖКдисплей подробно и наглядно отображает резуль
таты измерений.
Контролируемые системой параметры приведены в табл. 5.4.
Таблица 5.4
Контролируемые параметры

307

В состав системы ОКОМ входят: переносной терминал опера
тора, переносной измерительный блок, блок питания для зарядки
переносного терминала оператора.
Измерительный модуль имеет автономное питание от встроен
ной АБ, габаритные размеры 330×242×170 мм и массу — 3,6 кг.
Переносной терминал оператора питается от встроенной АБ,
имеет габаритные размеры 120×70×20 мм и массу — 0,150 кг.

308

Глава 6. ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЭКИПАЖНОЙ ЧАСТИ
И МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ЛОКОМОТИВА
6.1. Методы и средства диагностирования букс
локомотивов
В буксах железнодорожного подвижного состава работают мил
лионы подшипников качения. Проблема повышения их работо
способности и долговечности относится к первостепенным, так
как отказы буксовых подшипников в процессе эксплуатации не
только приводят к нарушению ритмичности работы транспорта, но
и несут прямую угрозу безопасности движения поездов.
Производство подшипников качения осуществляется в услови
ях жестких требований к их качеству. Это одни из наиболее точных
устройств, выпускаемых машиностроением. При идеальных рабо
чих условиях подшипники могут непрерывно эксплуатироваться в
течение многих лет. Вследствие того что рабочие условия редко бы
вают идеальными, подшипники никогда не реализуют своих потен
циальных возможностей с точки зрения ресурса. Срок службы под
шипников качения зависит от условий их производства, хранения,
обслуживания, установки, нагрузки и режимов работы.
Как уже отмечалось, буксовый узел непосредственно связан с
безопасностью движения, поэтому на железнодорожном транс
порте оценке его состояния в процессе эксплуатации уделяется
большое внимание. Кроме неразрушающих методов контроля со
стояния элементов подшипников при разборке буксового узла
применяются такие методы, как тепловой, виброакустический и
спектрального анализа пластичной смазки.
В соответствии с Инструкцией № ЦТ/330 от 11.06.1995 г. под
шипник качения может быть забракован по одному из следующих
дефектов:
– 01. Полное разрушение подшипника (все детали повреждены);
309

– 02(03). Усталостные раковины на дорожке качения наружного
(внутреннего) кольца;
– 04. Усталостные раковины на поверхности ролика (шарика);
– 05 (06). Коррозионные раковины на дорожке качения наруж
ного (внутреннего) кольца (глубокая коррозия с изъязвлением ме
талла);
– 07. Коррозионные раковины на поверхности роликов или ша
риков (аналогично п. 05);
– 08 (09). Трещины и разрывы (трещины и сколы) внутреннего
кольца;
– 10. Полный откол борта внутреннего кольца (без раскалыва
ния борта на отдельные части);
– 11 (12). Трещины (в том числе поперечные по окружности),
сколы и откол борта наружного кольца;
– 13. Трещины роликов или шариков;
– 14. Сколы торцов роликов;
– 15. Трещины и изломы упорного кольца (приставной шайбы);
– 16 (17). Трещины и изломы дисковой части (перемычек) сепа
ратора;
– 18. Проворачивание внутреннего кольца на шейке оси или вала;
– 19. Задиры в круговом направлении на дорожке качения;
– 20. Задиры (в круговом направлении) и ползуны на поверхно
сти роликов или шариков;
– 21 (22). Задиры («елочка») и заусенцы на бортах колец (на тор
цах роликов);
– 23. Ступенчатый износ торцов роликов;
– 24. Износ центрирующей поверхности сепаратора (о борт коль
ца);
– 25. Износ и деформация перемычек сепаратора;
– 26 (27). Обрыв заклепок сепаратора (забоины на сепараторе);
– 28 (29). Шелушение («рябина» от проскальзывания тел каче
ния) дорожки качения наружного (внутреннего) кольца;
– 30. Шелушение («рябина») поверхности роликов (шариков);
– 31 (32). Электроожоги на дорожке качения наружного (внут
реннего) кольца;
– 33. Электроожоги на поверхности роликов (шариков);
– 34 (35). Рифление на дорожке качения наружного кольца (на
поверхности ролика);
310

– 37. Выработка на дорожке качения наружного кольца сфери
ческого подшипника;
– 38. Монтажные забоины на дорожке качения внутреннего
кольца (от вставления роликов сферического подшипника);
– 39. Монтажные задиры на поверхности качения колец и роли
ков;
– 40 (42). Вмятины на дорожке качения наружного (внутренне
го) кольца;
– 41. Вмятины на поверхности ролика или шарика;
– 43 (44). Поверхностная коррозия на дорожке качения наруж
ного (внутреннего) кольца;
– 45. Поверхностная коррозия на роликах или шариках;
– 46. Повреждение резьбы (забоины, срыв витков) закрепитель
ной втулки;
– 47. Следы граненого прилегания закрепительной втулки;
– 48. Прочие дефекты;
– 49. Перегрев внутреннего кольца с возникновением цветов по
бежалости.
Изнашивание можно обнаружить, измеряя такие величины, как
изменение геометрической формы деталей подшипника, а именно
линейных размеров, поперечных сечений, объема; изменение мас
сы деталей подшипника; количество изношенного материала; ин
тенсивность изнашивания.
В этой связи следует отметить, что значение износа не следует счи
тать постоянным, присущим данному материалу, его нужно рас
сматривать как системнозависимую величину, определяемую рабо
чими переменными и структурой рассматриваемой изнашивающей
ся системы.
В качестве характеристики изменения структуры системы вслед
ствие изнашивания принимается интенсивность потери материа
ла. Тщательный анализ продуктов изнашивания и загрязнения смаз
ки позволяет установить причину их образования и, следователь
но, оценить состояние недоступных для измерения деталей подшип
ника.
Согласно определению изнашивания как «прогрессирующих
потерь вещества с рабочей поверхности тела, возникающих в ре
зультате относительного движения по поверхности», изнашивание
рассматривается как процесс, приводящий к потере входной мате
риальной величины системы.
311

Потери материала вследствие износа деталей подшипника мож
но описать в виде:
– переноса материала с одной поверхности на другую;
– потери материала с поверхности в промежуточную среду;
– образования продуктов реакции.
Изнашивание деталей подшипника связано с четырьмя основ
ными видами относительного движения: скольжение, качение, удар
и вибрация. Действующие при этих движениях механизмы поверх
ностного изнашивания также можно разделить на четыре группы:
поверхностное усталостное, абразивное, адгезионное и коррозион
номеханическое.
В табл. 6.1 перечислены типичные характеристики поврежде
ний деталей подшипника под действием основных механизмов из
нашивания.
Таблица 6.1
Характеристики повреждений деталей подшипников

Процесс усталостного изнашивания обычно связан с повторяю
щимися циклами напряжений в контакте качения и скольжения.
Истирание частиц материала в процессе абразивного изнашива
ния тоже связано в основном с процессами контактной деформа
ции. Явление истирания возникает при прямом физическом кон
такте двух поверхностей, из которых одна значительно тверже дру
гой. Неровности твердой поверхности внедряются в мягкую поверх
ность при пластическом течении мягкого материала вокруг твер
дых поверхностей. При наложении тангенциального движения
твердая поверхность будет скользить, пропахивая и отделяя мяг
кий материал.
В механизме адгезионного изнашивания важную роль играет взаи
модействие материалов. При сближении двух тел сначала возника
ют дальнодействующие вандерваальсовы силы. На расстояниях по
312

рядка 1 нм на реальных площадях контакта начинают действовать
значительные короткодействующие поверхностные силы. В отли
чие от других механизмов изнашивания, для которых требуется оп
ределенное время, адгезионное изнашивание возникает довольно
быстро, приводя к тяжелым формам повреждения в виде «задира»
или «заедания» движущихся частей подшипника.
Коррозионномеханическое изнашивание происходит в условиях
воздействия окружающей среды и динамического взаимодействия
между элементами. Если две поверхности активно реагируют с ок
ружающей средой, их трение в этой среде приводит к непрерывно
му образованию и отделению продуктов реакции.
Как правило, различные механизмы изнашивания действуют
одновременно. Поскольку невозможно полностью исключить про
цессы изнашивания, то трибологические процессы между движу
щимися поверхностями, как правило, приводят к потерям матери
ала из системы.
Обозначая символом Gm количество теряемого материала, мож
но представить три простых временных соотношений для Gm.
Вопервых, вероятность возникновения изнашивания может
убывать со временем. Это возможно, когда вследствие изменения
топографии поверхностей интенсивность взаимодействия неровно
стей поверхностей снижается. На этом периоде приработки систе
ма самоприспосабливается. В простейшем случае величина потерь
пропорциональна корню квадратному по времени:
Gm (t ) = (2C1t )0,5 .

Вовторых, структура системы может достигать относительно
устойчивого состояния под действием трибологических процессов.
В этом случае вероятность изнашивания остается постоянной. Та
кое установившееся состояние характеризуется постоянством по
терь материала в единицу времени без изменения трибологических
процессов. Таким образом,
Gm (t ) = C 2t .

Втретьих, когда величина потерь достигает некоторого значе
ния, может возникнуть качественный переход состояния системы,
представляющий значительное изменение трибологической карти
313

ны явлений. Большое приращение на данном интервале времени
вызывает еще большее приращение на следующем интервале. От
сюда следует
C3t

Gm (t )  C 0e

,

где С0, С1, С2, С3 — коэффициенты.

В данном случае количество изношенного материала быстро воз
растает со временем. В зависимости от значений С0 и С3 возможно
самоускорение процесса, которое может привести к катастрофичес
кому повреждению структуры системы и, следовательно, к отказу
системы в целом. Три рассмотренные режима потерь материала
могут следовать друг за другом во времени.
Рассмотренные выше трибологические процессы, как правило,
связаны с непосредственными физическими взаимодействиями
между совершающими относительное движение поверхностями.
На эти процессы оказывает влияние смазка, назначение которой
состоит в разделении движущихся относительно друг друга поверх
ностей пленкой материала, способного подвергаться сдвигу с ма
лым сопротивлением и без какихлибо повреждений поверхности.
В зависимости от толщины пленки смазки, распределения вы
сот неровностей в пленке смазки и степени геометрического при
легания можно выделить три главных режима смазки:
– гидродинамическая смазка (или упругогидродинамическая
(УГД) смазка);
– частичная УГД смазка или смешанная смазка;
– граничная смазка.
В первом режиме поверхности разделены непрерывной пленкой
смазки, толщина которой много больше шероховатости поверх
ностей. В этом режиме трибологическое поведение системы оп
ределяется реологией смазки и может быть рассчитано или оценено
методами механики жидкостей. Так как в этом режиме нет пря
мых контактов между поверхностями, то процессы изнашивания
отсутствуют (кроме поверхностного усталостного изнашивания,
кавитационного изнашивания или жидкостной эррозии).
Если в условиях гидродинамической или УГД смазки снижается
вязкость смазки или возрастает нагрузка, то пленка смазки стано
вится тоньше и зазор между поверхностями убывает. Когда появля
314

ются первые контакты взаимодействия поверхностей, возникает
второй режим УГД смазки — смешанной смазки. В этом режиме
нагрузка воспринимается частично пленкой жидкости, частично
контактирующими неровностями поверхностей. Во втором режиме
возможны все описанные механизмы изнашивания. Конечно, упо
мянутые выше процессы испытывают влияние пленки смазки и
видоизменяются под ее воздействием.
В третьем режиме смазки физикохимические взаимодействия
на поверхностях раздела твердое тело—твердое тело определяют ха
рактер трения и изнашивания в системе.
Трибологические процессы могут искажать функциональное со
стояние. Если функциональное соотношение, осуществляемое дан
ной системой, нарушается настолько, что рабочие условия выходят
за допустимые пределы, то приходится говорить о функциональном
отказе системы. Как правило, функциональные отказы связаны с
заметными изменениями структуры или вызываются ими.
Рассматривая причины отказов, можно выделить следующие
главные факторы: нарушение правил эксплуатации, усталость, чрез
мерную деформацию, изнашивание, коррозию, засорение, дефек
ты конструкции, производственные дефекты и дефекты сборки.
Чтобы обеспечить правильное функциональное поведение три
бологических систем, рабочие параметры не должны превышать
некоторых пределов. Эти пределы выбираются таким образом, что
бы действие рабочих параметров не приводило к недопустимым
изменениям структуры системы.
В качестве исходной для оценки пределов рабочих условий сис
темы можно принять так называемую модель нулевого износа. За
нулевой износ принимается износ такой величины, когда шерохо
ватость поверхности на следе износа незначительно отличается от
начальной шероховатости изношенной части поверхности.
Основной способ получения связи между ухудшением работы
системы и его последствиями состоит в контроле поведения систе
мы. Простейшей формой такого контроля является запись соответ
ствующих параметров в специальный журнал и последующее срав
нение с эталонной информацией.
В табл. 6.2 приведены некоторые типы неисправностей подшип
ников и причины, их вызывающие.
315

Таблица 6.2
Типы неисправностей подшипников и причины, их вызывающие

6.1.1. Диагностирование букс колесных пар по результатам
спектрального анализа пластичной смазки
В соответствии с «Инструкцией по контролю качества пластич
ной смазки буксовых подшипников локомотивов» ЦТЧС53 от
17.07.85 г. предусмотрена технология контроля качества пластичной
смазки роликовых букс локомотивов и установлены браковочные
нормы содержания примесей (концентрация продуктов изнашива
ния) в смазке буксового подшипника.
Для обеспечения гидродинамического режима смазывания в зо
нах трения между роликами и кольцами, а также роликами и сепа
ратором достаточно иметь на поверхностях деталей подшипников
слой смазки микронной толщины. Однако смазка в этих слоях пре
терпевает химические изменения: окисляется, полимеризуется, что
приводит к ее уплотнению, высыханию и в конечном счете к поте

316

ре смазывающей способности. Поэтому необходима постепенная
смена смазки, находящейся в контактных зонах. Именно для этих
целей в узел трения закладывается большой избыток смазки по
сравнению с тем объемом, который участвует в процессе смазы
вания. Обновление смазки осуществляется за счет самопроизволь
ного вытекания смазки в канавку, выработанную вращающимися
элементами подшипника. При вращении роликов смазка равно
мерно распределяется по кругу качения, а отработавшая смазка
выдавливается наружу подшипника.
При износе элементов подшипника буксового узла в пластич
ной смазке формируется определенный уровень концентрации
химических элементов, содержащихся в материале деталей под
шипника. Каждая колесная пара подвижного состава подверже
на неравномерному воздействию сил, действующих в процессе
эксплуатации, и как следствие — неравномерному износу деталей
подшипника роликовой буксы.
В процессе эксплуатации буксовых узлов происходит сложный
динамический процесс формирования уровня концентрации про
дуктов изнашивания в пластичной смазке, обусловленный влия
нием таких случайных факторов, как добавление или смена смаз
ки при ревизии или ремонте буксового узла. Проба смазки, отобран
ная для анализа, должна быть прежде всего представительной, т.е.
характеризовать фактическое распределение примесей во всем объе
ме смазки. Исследованиями В.Ф. Беляевского определена пред
ставительность пробы смазки по сопоставлению количественного
значения концентрации продуктов изнашивания деталей подшип
ника и концентрации кремния в пробах смазки, отобранных в раз
личных зонах по кругу качения подшипника. В результате анализа
диагностических признаков при диагностировании технического со
стояния роликовых букс локомотивов по результатам спектраль
ного анализа пластичной смазки наиболее информативными при
знаны: концентрация железа, меди, хрома, кремния, наработка ро
ликового подшипника. Вероятностная модель диагностирования
состояния роликовых буксовых подшипников в конечном итоге
предполагает браковку подшипника по предельным значениям
концентрации продуктов изнашивания в пластичной смазке. Так,
для железа установлено предельное значение концентрации 1,0 %,
для меди — 0,015 %, хрома (Сr) — 0,15 %, кремния — 0,2 %.
317

Организация диагностирования буксовых узлов локомотивов
осложняется изза широкого спектра типов применяемых подшип
ников (табл. 6.3), имеющих конструктивные особенности, которые
должны учитываться в диагностических моделях.
Таблица 6.3
Типы буксовых подшипников

Большое разнообразие конструктивных особенностей применя
емых подшипников снижает информативность таких диагности
ческих параметров, как текущее значение концентрации продук
тов изнашивания. Для устранения этого в качестве диагностичес
ких параметров принимаются значения накопленной концентра
ции продуктов изнашивания, рассчитываемые по значениям
текущей концентрации, количеству добавленной или замененной
пластичной смазки и наработке буксового узла от последнего ре
монта.
В процессе эксплуатации букс локомотивов на ремонтах ТР1,
ТР2 и неплановых ремонтах производится добавление смазки в бук
сы, а на ТР3 — полная замена смазки. На неплановых ремонтах при
ревизии буксового узла также может быть произведена полная за
мена смазочного материала. Таким образом, в процессе эксплуата
318

ции формируется случайная картина динамики концентрации про
дуктов износа в пластичной смазке.
Определение технического состояния буксового узла при этом
осуществляется по текущим меренным значениям, что приводит к
накоплению ошибок диагноза.
Для определения значения накопленной концентрации рассчи
тывается интенсивность поступления продуктов изнашивания в
смазку, кг/мес.:

qy

g  Kk



1e

qy
Q0

,
L

где Kk — текущее значение концентрации элемента на момент контроля, кг/кг;
Q0 — количество смазки в буксовом узле на начальный момент эксплуата
ции, кг;
qy — интенсивность удаления смазки из буксы, кг/мес.:

qy  ∑ q д / L,
где qд — суммарное количество добавленной смазки, кг;
L — наработка буксы, мес.

Количество металла, изношенного с роликовых подшипников, кг,

G  gL.
Значение накопленной концентрации, кг/кг,

Kн 

G
,
Qk

где Qk — количество смазки в буксе на момент контроля, кг.

Количество металла, изношенного с элементов подшипников
буксы, рассчитывается по формуле, кг,
⎛ qyiTi 1 ⎞ ⎞
⎛
⎜K
qyi
K i 1 ⎜⎜ Q ⎟⎟ ⎟
i
G  ∑⎜
e⎝ 0 ⎠ ⎟
T ,

⎛ qyiTi 1 ⎞ i 1
⎟
i 1 ⎜ 100 100
⎜
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠ 1  e ⎜⎝ Q0 ⎟⎠
n

где i — номер замера концентрации продуктов износа;

319

n — номер последнего замера;
Ki — текущее значение концентрации элемента на момент iго контроля,
кг/кг;
qуi — интенсивность удаления смазки из буксы за период Тi–1 –Ti, кг/мес.:

qyi  Qдi / Ti ,
где Qдi = qдT — суммарное количество добавленной смазки за период Тi–1 –
– Ti, кг;
qд — интенсивность добавления смазки, кг/мес.;
Ti — наработка буксы на момент iго контроля, мес.

Значение накопленной концентрации, кг/кг,

Kн 

G
.
Q0

Для примера в табл. 6.4 приведены результаты расчета объемов
изношенного металла с элементов подшипника типа 3Н 32532Л1
при значении износа 0,01 мм с учетом состава материалов.
Таблица 6.4
Среднее приращение объема металла на 0,01 мм износа

Вся медь поступает в смазку с сепаратора, поэтому расчет степе
ни износа сепаратора оценивается по меди. Железо поступает с
нескольких деталей. Для распределения общего объема железа по
элементам и местам износа выполнен анализ площадей контактиру
емых поверхностей элементов подшипника, степени износа и полу
чены коэффициенты распределения износа по трущимся поверх
ностям (табл. 6.5). Алгоритм расчета текущих значений радиаль
ного зазора и зазора плавания сепаратора реализуется следующим
образом. В процессе эксплуатации буксового узла фиксируется ин
формация о проведении всех видов осмотров, ревизий и ремонтов,
320

моменты смены или добавления смазки в подшипник и текущие
значения концентрации продуктов изнашивания, характерные для
контролируемого подшипника. Считается, что на последнем ремон
те, связанном с разборкой буксы, значения радиального зазора и
зазора плавания сепаратора находились в пределах нормы.
Таблица 6.5
Распределение площадей трения элементов

По результатам контроля рассчитывается количество элементов
продуктов изнашивания за контролируемый период. Технология
ремонта и эксплуатации подшипников качения не предусматрива
ет фиксацию значения радиального зазора и зазора плавания сепа
ратора подшипника, с которыми он устанавливается в буксу. В про
цессе эксплуатации проверяется только факт выхода этих парамет
ров за допустимые пределы. Поэтому в качестве исходных значе
ний контролируемых параметров принимаются их математические
ожидания.
Изменение износа сепаратора оценивается по количеству изно
шенной меди или алюминия в зависимости от применяемого мате
риала с учетом доли меди, изношенной со стальных элементов под
шипника. Железо распределяется по поверхностям износа с учетом
соотношения износов и площадей контактирования поверхностей.
Износы деталей подшипника подбираются по условию минимума
отклонения количества изношенного химического элемента, рас
считанного по моделям износов, от фактического количества изно
шенного химического элемента.
Значения радиального зазора и зазора плавания сепаратора рас
считываются по формулам, мм:
Z r  Z n  I nk  I vk  I ro ;

321

Z ps  Z nps  I nks  I s ,
где Zr — текущее значение радиального зазора, мм;
Zn — начальный радиальный зазор, мм;
Ink и Ivk — износ наружного и внутреннего колец, мм;
Iro — износ роликов, мм;
Znps и Zps — начальное и текущее значения зазора плавания сепаратора, мм;
Inks — износ наружного кольца по сепаратору, мм;
Is — износ сепаратора, мм.

С целью определения наиболее характерных неисправностей бук
совых подшипников выполнен анализ информации по отказам и
браковкам роликовых подшипников в локомотивном депо Москов
ка ЗападноСибирской ж.д. (табл. 6.6). Анализ полученных данных
позволяет сделать следующие выводы: за 5 лет работы локомотив
ного депо подшипники браковались по восемнадцати пунктам де
фектов подшипников (согласно инструкции). Из них по десяти пун
ктам наблюдалось наибольшее число повторений, а остальные
8 пунктов составили всего 2,9 % от общего количества повторений.
Таблица 6.6
Результаты анализа процентного соотношения браковок
роликовых подшипников

322

6.1.2. Тепловой метод контроля технического состояния
буксовых узлов
В 1958—1964 гг. в лаборатории «Ремонт и эксплуатация вагонов»
ВНИИЖТа был разработан прибор обнаружения аварийно нагре
тых букс (ПОНАБ). Первый вариант ПОНАБ1 был реализован на
лампах и полупроводниковом болометре без встроенной оптики
(болометр — прибор для измерения энергии излучения, изобре
тен С.П. Лэнгли в 1878 г.). Основной компонент болометра — очень
тонкая пластинка (например, из платины или другого проводяще
го материала), зачерненная для лучшего поглощения излучения.
Изза своей малой толщины пластинка под действием излучения
быстро нагревается и ее сопротивление повышается. Для измере
ния малых отклонений сопротивления пластинки ее включают в
мостовую схему, которую балансируют в отсутствие засветки. По
лупроводниковый болометр состоит из двух пленочных (толщи
ной до 10 мкм) термисторов. Один из термисторов, непосредствен
но подвергающийся облучению, является активным. Второй —
компенсационный. Он экранирован от внешнего излучения и
предназначен для компенсации изменений температуры окружа
ющей среды. Оба термистора помещаются в общий герметичный
корпус. Болометр чувствителен ко всему спектру излучения.
В качестве регистратора использовался блок счетчиков осей из
6 телефонных счетчиков импульсов с тиратронами — информа
ция передавалась с перегона на станцию по 4проводной линии
связи импульсами постоянного тока. В 1967 г. разработан ПОНАБ2,
электронная часть которого была переведена на транзисторы в
1969 г. В 1970 г. разработана конструкция ПОНАБ3.

323

В 1978—1982 гг. разработана базовая система комплексного кон
троля подвижного состава ДИСКБКВЦ: базовая подсистема
ДИСКБ и функционально зависимые от базовой подсистемы кон
троля колес ДИСКК, обнаружения волочащихся деталей ДИСКВ,
централизации и обработки данных ДИСКЦО. В 1986—1987 гг. была
разработана концепция многопроцессорной системы комплексного
контроля подвижного состава с использованием микроЭВМ, кото
рая была реализована в 1989—1991 гг. ВНИИЖТ и ПКБ «Деталь» (ПО
«Фотон») в системе контроля 5го поколения ДИСК2. В 1996—2000 гг.
НПЦ «Инфотэкс» были разработаны и выпущены комплекты тех
нических средств для модернизации ПОНАБ (КТСМ01) и ДИСК
(КТСМ01Д), а в 2001 г. НПЦ «Инфотэкс» — многофункциональ
ный комплекс КТСМ02БТВ. Отличительной особенностью КТСМ02
является использование малогабаритных напольных камер, закреп
ляемых на подошве рельса, цифровая обработка тепловых сигналов
в приемной капсуле, более совершенные алгоритмы принятия ди
агностического решения, позволяющие выявить заторможенные
колеса без вспомогательных напольных камер, ориентируемых на
ступицы колес. На рис. 6.1 показана схема установки болометра и
его ориентации.

Рис. 6.1. Схема ориентации болометра в КТСМ02

324

В настоящее время на железных дорогах стран — участников
организации сотрудничества железных дорог (ОСЖД) в состав
средств контроля входят:
– системы обнаружения перегретых буксовых узлов (ПОНАБ3,
ДИСКБ, ДИСК2Б, КТСМ01, КТСМ01Д, КТСМ02Б, АСДКБ,
FUES, FUES II, Fhoenix MB, ASDEK, HOA, VAE и др.);
– системы обнаружения заторможенных колесных пар (ДИСКТ,
ДИСК2Т, КТСМ01Д, КТСМ02Т, АСДКБ, FUES, FUES II,
Fhoenix MB, ASDEK, HOA, VAE и др.);
– системы обнаружения волочащихся деталей (ДИСКВ,
ДИСК2В, УКСПС, СКВП2 и др.);
– системы обнаружения дефектов по кругу катания (ДИСКК,
ДИСК2К, КТСМК, ДДК, ARGUS, MATTILD, VAE и др.);
– системы обнаружения отклонений нижнего габарита подвиж
ного состава (ДИСК2Г и др.);
– системы обнаружения перегруза вагонов (ДИСК2Г и др.).
Системы контроля рекомендуется дополнять вспомогательной
системой централизации информации с линейных пунктов конт
роля на диспетчерский пост или центральный пост для дальнейшей
обработки информации, диагностики, слежением за динамикой
развития дефекта (ДИСКЦ, ДИСК2ЦО, АСКПС, RAD и другие).
Напольное оборудование средств контроля устанавливается непос
редственно на пути и предназначено для считывания информации
с подвижного состава. Сигналы от напольного оборудования посту
пают по кабелю к постовому оборудованию, размещенному в не
посредственной близости от пути в специальном капитальном стро
ении или термостойком контейнере. В момент обнаружения сред
ствами контроля неисправных подвижных единиц соответствую
щие сигналы об этом передаются со станционного или перегонного
оборудования на сигнальный световой указатель, установленный
между перегонным оборудованием и входным светофором стан
ции, и (или) на речевой информатор для извещения машиниста
поезда и дежурного по станции. Средства контроля могут быть
также увязаны с проходными сигналами автоблокировки и ко
дирования рельсовых цепей. Одновременно соответствующие
сигналы с перегонного оборудования передаются на сигнализи
рующие и регистрирующие устройства станционного оборудования
для извещения дежурного персонала станции, оператора пункта тех
325

нического обслуживания. На участках с диспетчерской централи
зацией и (или) при наличии системы централизованного контроля
производится передача на пульт оператора центрального поста и
(или) на автоматизированное рабочее место поездного диспетчера.
Сигнализирующие устройства средств контроля должны вы
давать звуковые и световые сигналы тревоги. При этом в зависимо
сти от степени аварийности и вида неисправности подвижного
состава выдаются сигналы тревоги предаварийного уровня «Тре
вога 0» (не требуется остановка поезда), аварийного уровня «Тре
вога 1» (требуется остановка на станции) и критического уровня
«Тревога 2» (требуется остановка на перегоне).
Средства контроля на каждом пункте их установки применяют
ся комплексно. При этом базовым средством, обладающим конст
руктивной и функциональной завершенностью и позволяющим са
мостоятельно работать в условиях эксплуатации, как правило, яв
ляется система обнаружения перегретых букс, а все остальные сред
ства контроля в качестве подсистем могут только дополнять ее на
тех или иных пунктах контроля.
Системы обнаружения перегретых букс для выработки сигнала
«Тревога 1»должны настраиваться:
– при расположении напольных устройств перед станциями,
имеющими ПТО, ППВ и перед конечными станциями движения
пассажирских поездов для обнаружения в диагностическом режи
ме буксовых узлов в начальной стадии нагрева (калибровка аппара
туры на нагрев от 90 до 100 °С в зависимости от времени года);
– при расположении напольных устройств перед станциями,
имеющими ПКТО (ПОТ), ППВ, где все поезда имеют остановку по
графику движения поездов для технических целей, для обнаруже
ния перегретых букс с нагревом от 100 до 120 °С;
– при расположении напольных устройств перед станциями с
ПКТО, ППВ, где остановка поезда по графику не предусмотрена,
для обнаружения перегретых букс с нагревом от 120 до 140 °С;
– при расположении напольных устройств перед станциями,
находящимися между ПТО, ПКТО, ППВ, КП и перед искусствен
ными сооружениями на грузонапряженных направлениях для об
наружения перегретых букс с нагревом от 140 до 160 °С.
При расстоянии до соседнего пункта установки перегонного обо
рудования средств контроля одного направления более 35 км уро
326

вень настройки систем устанавливается в пределах от 100 до 120 °С,
а на малодеятельных участках — в пределах от 90 до 100 °С. Эти зна
чения принимаются за условную температуру подшипника, под ко
торой подразумевается температура нагревания подшипника бук
сы до уровня, когда внешняя температура корпуса буксы будет со
ответствовать температуре излучателяиммитатора нагретой бук
сы, что задается при калибровке средств контроля.
При любом из перечисленных вариантов настройки систем об
наружения перегретых букс сигнал «Тревога 2» должен вырабаты
ваться при значении уровня, который (на 35—50 %) превышает зна
чения уровня сигнала «Тревога 1». Предаварийный сигнал «Тре
вога 0» рекомендуется выдавать при значении уровня (на 25—30 %)
меньше значения уровня сигнала «Тревога 1».
Для систем, которые определяют тип подвижной единицы, уро
вень настройки для локомотивов устанавливается службой локомо
тивного хозяйства или управляющим инфраструктурой железных
дорог стран — членов ОСЖД. Уровень настройки аппаратуры сис
тем обнаружения перегретых буксовых узлов для конкретного мес
та установки устанавливается вагонным хозяйством железной до
роги или управляющим инфраструктурой с учетом местных усло
вий и конкретного типа применяемых устройств контроля.

6.1.3. Вибродиагностика буксовых узлов локомотивов
Одним из наиболее распространенных методов диагностирова
ния технического состояния буксовых узлов в условиях локомотив
ного депо является вибродиагностика.
Для измерения параметров вибрации, как правило, используют
ся датчики виброускорения, работающие на пьезоэффекте. В таких
датчиках электрический заряд на выходе пропорционален действу
ющей на датчик силе. Лишь в ряде стационарных систем, напри
мер на паровых турбинах электростанций, для контроля вибрации
крупных машин с подшипниками скольжения используются дат
чики колебательного смещения. Их встраивают в подшипник (по
два датчика на подшипник). Эти датчики позволяют измерять тра
екторию центра вала в подшипниках (его орбиту) и тем самым не
посредственно определять величину износа вкладышей.
Если диагностику состояния подшипника качения проводить по
амплитудным параметрам временных вибросигналов, то основное
327

внимание следует уделить, вопер
вых, количественному значению
общего уровня фона вибрации и,
вовторых, соотношению между
уровнями фона вибрации и ампли
тудами пиковых значений во вре
менном вибросигнале.
В самом общем случае состоя
ние подшипника качения, развитие
его дефектов за весь период его
Рис. 6.2. Этапы развития дефектов
службы можно разделить на пять
подшипника
этапов (рис. 6.2). На рисунке по
вертикали отложен уровень вибрации в мм/с, а по горизонтальной
оси — этапы развития дефектов 1, 2, 3, 4, 5. Состояние подшипни
ка определяется двумя ломаными линиями: нижняя 1 соответству
ет уровню фона вибрации на каждом этапе развития дефектов, верх
няя 2 — уровню пиков вибрации.
До начала первого этапа общее техническое состояние подшип
ника будем считать идеальным. На этом, нулевом, этапе развития
дефектов пики вибрации превышают уровень фона незначительно,
а сам фон вибрации (в данном случае среднее квадратическое зна
чение виброскорости) значительно меньше нормируемого значения.
Этап 1. Начиная с отметки 1 в подшипнике появляется и начи
нает развиваться какойлибо дефект, возникают ударные виброим
пульсы, растущие по величине. Энергия импульсов затрачивается на
«углубление» дефекта, в результате чего происходит еще большее
увеличение энергии импульсов. Уровень фона вибрации по своей ве
личине при этом остается неизменным, так как дефект носит локаль
ный характер и на общем состоянии подшипника пока не сказыва
ется. Это этап возникновения дефекта в процессе эксплуатации.
Этап 2. Начиная с отметки 2 ударные импульсы в подшипнике
достигают по своей энергии практически максимального значения.
Количественное значение максимума энергии импульсов опреде
ляется типом подшипника и условиями его эксплуатации. Выделя
ющаяся в подшипнике энергия импульсов уже столь велика, что ее
достаточно для расширения зоны локализации дефекта. На данной
стадии остановить дальнейшее развитие дефекта практически не
возможно, началось его саморазвитие. Величина пиков вибрации
328

на временном вибросигнале уже практически не растет, но и уро
вень фона тоже меняется мало. Дефект набирает силу, готовится к
решающему нападению.
Этап 3. Это зона перехода подшипника к полной деградации,
которая начинается с отметки 3. Зона развития дефекта столь вели
ка, что подшипник начинает терять свое основное назначение —
обеспечивать вращение валов с минимальным трением. Возраста
ют затраты энергии на вращение ротора и как результат увеличива
ется энергия, выделяющаяся в подшипнике, растет уровень фона.
Это уже этап саморазрушения подшипника.
Этап 4 — последний этап развития дефекта, когда он охватил
весь подшипник, вернее говоря все то, что осталось от подшип
ника. Уровень фона вибрации практически сравнялся с уровнем
пиков или можно сказать, что вся вибрация состоит из пиков. Ра
боты подшипников в этой зоне следует избегать.
Этап 5 — этап ожидания аварии, чаще всего с большими по
следствиями.
Все вышеперечисленные этапы ухудшения состояния подшип
ника свойственны практически всем видам дефектов, имеющих
место в любых разновидностях подшипников. В зависимости от
ряда эксплуатационных параметров подшипников могут лишь на
блюдаться различия в длительности этапов и интенсивности про
цессов в них, но общая картина развития не меняется.
В табл. 6.7 приведен перечень типовых диагностических при
знаков дефектов, обнаруживаемых и идентифицируемых при диа
гностировании подшипников качения по однократным измерениям
спектра огибающей вибросигнала. Эти признаки можно исполь
зовать для распознавания дефекта в случае, если этот дефект еди
ничен.
Таблица 6.7
Перечень диагностических признаков дефектов подшипников качения

329

Примечание. В таблице приняты следующие обозначения:
fвр — частота вращения вала;
fв и fн — частота перекатывания тел качения по внутреннему и наружному
кольцам;
fтк и fс — частота вращения тел качения и сепаратора;
ВЧ и УНЧ — высокочастотная и низкочастотная области спектра вибра
ции (< 0,5 fвр);
k = 1, 2, 3, 4, ... — коэффициент кратности гармоник.

На рис. 6.3 приведены спектры огибающих вибросигнала при
различных дефектах элементов подшипника качения.
Неоднородный радиальный натяг подшипника является обычно
дефектом его сборки, в частности, следствием посадки подшипни
ка на вал, диаметр которого больше допустимого; перекоса вра
щающегося кольца; повышенной осевой нагрузки на подшипник.
330

331

Рис. 6.3. Спектр огибающей вибрации:
а — при неоднородном радиальном натяге подшипника; б — при раковине на наружном кольце; в — при раковине
на внутреннем кольце; г — при трещине на внутреннем кольце

Признаком этого дефекта является рост гармонических составляю
щих в спектре огибающей вибросигнала на четных и прежде всего
на второй гармонике частоты вращения вала. Проявляется этот де
фект обычно сразу после установки нового подшипника, сопровож
дается ростом нагрузки в двух противоположных точках внутрен
него кольца подшипника, что приводит к ускоренному износу из
за перегрузок, действующих на поверхности качения. С увеличени
ем износа эти перегрузки снижаются и признаки неоднородного
натяга могут исчезнуть, однако ускоренный износ подшипника про
должится.
Раковины (трещины) на наружном кольце подшипника приво
дят к появлению коротких ударных импульсов при контакте каж
дого тела качения с раковиной (трещиной). В результате появляет
ся ряд гармоник с частотами kfн в спектре огибающей высокочас
тотной вибрации, причем число этих гармоник достаточно велико,
а их амплитуда слабо снижается с ростом k. Разделить признаки
раковины и трещины по результатам анализа спектра огибающей
удается крайне редко и в основном за счет более быстрого развития
дефекта в случае, если в подшипнике есть трещина. Признаки ра
ковины могут со временем переходить в признаки износа наружно
го кольца, а признаки трещины стабильны и, более того, растут при
каждом последующем измерении.
Раковины (трещины) на внутреннем кольце подшипника при
водят к появлению коротких ударных импульсов при контакте каж
дого тела качения с раковиной (трещиной). В результате в спектре
огибающей вибрации появляется ряд гармоник с частотами kfв,
причем изза того, что при слабом радиальном натяге в подшипни
ке величина удара зависит от нагрузки, т.е. от угла поворота внут
реннего кольца, у ряда гармоник в спектре огибающей появляются
боковые составляющие, отличающиеся на ±k1fвр. Различить при
знаки раковины и трещины на внутреннем кольце не всегда уда
ется. Косвенным признаком трещины можно считать одновре
менное появление большого числа гармоник kfв ±k1 fвр с большим
числом гармоник kf вр , возникающих при увеличении радиуса
внутреннего кольца в зоне его разрыва. Однако появление ряда гар
моник с частотами kfвр может быть и признаком повышенного из
носа в зоне раковины при отсутствии трещины. Чаще всего трещи
ну выделяют по скорости развития дефекта, так как раковина мо
332

жет иметь стабильную величину несколько дней, а при трещине
признаки дефекта монотонно растут.
На сети железных дорог Росси и стран СНГ наибольшее распро
странение получило следующее оборудование: диагностические
комплексы типа «Прогноз» (НИИТКД, г. Омск), «КОМПАКСЭкс
пресс» (НПЦ «Динамика», г. Омск), «Вектор2000» (ОАО «ВАСТ»,
г. СанктПетербург), СМ3001АРМИД (ООО «ИНКОТЕС, г. Ниж
ний Новгород) ОМСД02 (ООО «ДиаТЕХНН,» г. Нижний Новго
род). В табл. 6.8 представлены некоторые характеристики современ
ных вибродиагностических комплексов.
Комплекс оперативной диагностики «Прогноз>3» предназначен
для измерения выходных электрических сигналов датчиков вибра
ции, измерения частоты вращения узлов и механизмов и обработки
результатов измерений с целью определения технического состоя
ния подшипников и зубчатых передач (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Внешний вид (а) и лицевая панель (б) блока БОС комплекса «Прогноз3»:
1 — индикатор батареи; 2 — кнопка питания; 3 — экран дисплея; 4 — цифровая
клавиатура; 5 — функциональные кнопки; 6, 7 — разъемы для подключения
датчиков частоты вращения и вибрации; 8 — разъем 3,5 мм для подключения
наушников (зарезервирован)

333

334
Характеристики вибродиагностического оборудования

Таблица 6.8

335

Комплекс имеет четыре параллельных тракта измерения напря
жения (далее тракта) и четыре входных мультиплексора, позволя
ющего коммутировать до восьми каналов измерения напряжения
на один тракт (32 канала измерения вибрации). Комплекс рабо
тает с датчиками вибрации ВД03, ВД06 производства НПФ «Мик
роникс», г. Омск и с ICPакселерометрами 621B51 производства
PCB Piezotronics, США.
Блок обработки сигналов (БОС) имеет в своем составе следую
щие функциональные субблоки:
– блок промышленного компьютера, который предназначен
для обеспечения функционирования операционной системы,
программы проведения измерений и содержит в своем составе про
цессор, ОЗУ, Flashпамять, видеопроцессор и другие компоненты;
– измерительный блок, который предназначен для проведения
непосредственного измерения напряжения и частоты вращения и
содержит в своем составе процессор, ОЗУ и аналоговую схему,
обеспечивающую обработку сигналов частоты вращения и напря
жения, а также обеспечивает напряжение питания для датчиков
частоты вращения и вибрации;
– блок вводавывода, предназначенный для подключения вне
шних устройств и содержащий в своем составе разъемы Ethernet,
USB, COM, а также разъемы для подключения внешних монитора,
клавиатуры, мыши и других устройств;
– блок питания, который предназначен для преобразования
входного напряжения и обеспечения постоянного напряжения пи
тания; блок содержит импульсный источник питания, схемы уп
равления подсветкой и заряда аккумуляторной батареи;
– кроссплату для соединения субблоков между собой, содер
жащую разъемы для подключения субблоков;
– низкотемпературный жидкокристаллический дисплей для
отображения информации, который подключается непосредствен
но к субблоку промышленного компьютера;
– цифровая клавиатура и функциональные кнопки для управле
ния комплексом;
– разъемы для подключения датчиков частоты вращения и виб
рации к измерительному субблоку;
– аккумуляторная батарея, предназначенная для автономного
питания комплекса.
336

Комплекс предназначен для оценки технического состояния и
остаточного ресурса подшипников качения и зубчатых передач по
результатам одного цикла измерения, обработки, регистрации и
анализа сигналов вибрации и частоты вращения механических уз
лов оборудования.
Окончательное заключение по результатам диагностирования
узла дается в виде следующих рекомендаций по диагностируемому
узлу: «В эксплуатацию допустить», «Заменить подшипник», «Про
извести следующее измерение не позднее определенной даты».
Оценка технического состояния подшипников производится
путем определения относительной количественной оценки (ОКО)
развития следующих основных дефектов, возникших в процессе
эксплуатации: бой вала (повышенная вращающаяся нагрузка на
подшипник, неуравновешенность ротора, обкатывание наружного
кольца); неоднородный радиальный натяг (является обычно дефек
том сборки, в частности, следствием посадки подшипника на вал,
диаметр которого больше допустимого, перекоса вращающегося
кольца; повышенной осевой нагрузки на подшипник); перекос на
ружного кольца (возникает обычно при монтаже подшипника и из
за дефектов посадочного места); износ наружного кольца (почти
всегда происходит локально, изменяя коэффициент трения каче
ния на отдельных участках поверхности наружного кольца); рако
вины или трещины на наружном кольце; износ внутреннего кольца
(как правило, происходит локально, но зона повышенного коэф
фициента трения захватывает область, превышающую расстояние
между точками контакта ближайших двух тел качения); раковины
или трещины на внутреннем кольце; износ тел качения и сепарато
ра; раковины и сколы на телах качения (как и износ тел качения
относится к числу наиболее опасных и быстро развивающихся де
фектов); проскальзывание кольца в посадочном месте (является
достаточно редким дефектом и может обнаруживаться лишь в том
случае, если проскальзывание происходит в момент измерения виб
рации); дефекты смазки (недостаток смазки или наличие в ней ино
родных включений); неидентифицированный дефект (неопределен
ная вибрация от остальных частей диагностируемого узла или со
пряженного с ним оборудования).
Каждый из обнаруженных дефектов в соответствии с порогом,
установленным в программе, относится к одной из следующих сте
337

пеней развития дефекта: «Слабый дефект», «Средний дефект»,
«Сильный дефект».
Пороговые значения каждого из дефектов подшипника устанав
ливаются пользователем при конфигурации программы и должны
быть уточнены в процессе эксплуатации при достаточно большом
количестве статистического материала (не менее тридцати эксперт
ных оценок для каждого уточняемого порога дефекта по степени
его развития).
Для диагностируемого узла (подшипника) в целом определено
пять классификационных состояний:
– «СЛАБЫЙ ДЕФЕКТ» — обнаружены признаки зарождающе
гося дефекта, нет оснований для беспокойства;
– «СРЕДНИЙ ДЕФЕКТ» — зарождающийся дефект, следует про
должить наблюдение за дефектом при последующих заходах на ди
агностирование;
– «СИЛЬНЫЙ ДЕФЕКТ» — развитый дефект, требует ограни
чения срока эксплуатации до следующей проверки;
– «ЗАМЕНИТЬ ПОДШИПНИК» — дальнейшая эксплуатация
подшипника недопустима, так как может привести к его разруше
нию;
– «НЕИДЕНТИФИЦИРОВАННЫЙ ДЕФЕКТ» — вид дефекта
определяется по результатам оценки его признаков.
Эти состояния определяются для каждого диагностируемого узла
на основе степени развития всех дефектов и с учетом предыдущих
диагностирований этого узла или узлов такого типа.
Количественная оценка остаточного ресурса подшипников
(срок очередного диагностирования) определяется программой в
зависимости от вида обнаруженного дефекта, степени его разви
тия и значения общего ресурса подшипника, установленного в
данном конкретном узле. Например, для локомотивов установле
ны следующие соотношения между степенью развития дефекта и
сроком следующего диагностирования:
– при слабом дефекте — следующий срок диагностирования
через один ТО3;
– при среднем дефекте — следующее диагностирование — на
следующем ТО3;
– при сильном дефекте — следующее диагностирование — при
любом очередном заходе локомотива на ТО или ТР.
338

Количественное значение остаточного ресурса (срок следующе
го диагностирования) может быть уточнено в процессе эксплуата
ции комплекса при достаточно большом количестве статистичес
кого материала с учетом критериев безопасности и экономической
целесообразности.
На рис. 6.5 приведен вид отчета, формируемый по результатам
диагностирования.
Вибродиагностический комплекс «КОМПАКС>Экспресс» пред
назначен для оценки технического состояния колесномоторных
блоков подвижного состава железных дорог. На рис. 6.6 приведена
структурная схема комплекса, а в табл. 6.9 — основные техничес
кие характеристики.

Рис. 6.5. Отчет по результатам диагностирования

339

Рис. 6.6. Структурная схема вибродиагностического комплекса
«КОМПАКСЭкспресс»
Таблица 6.9
Основные технические характеристики комплекса «КОМПАКС>Экспресс»

340

Процесс диагностирования автоматизирован и управляется с
пульта оператора. Вибродиагностирование состоит из следующих
операций:
– включение и отключение подачи напряжения питания ТЭД;
– управление разгоном ТЭД до заданной программой частоты
вращения колесной пары;
– поддержание стабильности заданной частоты вращения ко
лесной пары;
– последовательный перебор каналов снятия вибросигнала.
Оценка технического состояния подшипников колесномотор
ного блока (КМБ) и зубчатой передачи тягового редуктора осуще
ствляется по пиковым значениям трех параметров (виброускоре
ния, виброскорости и виброперемещения), которые устанавлива
ются экспериментально для каждого типа подшипника и узла.
При диагностировании определяют количественные характери
стики физических величин, используемых в качестве диагностичес
ких признаков, и отображают их на экране монитора в виде специ
ального табло, где представлены количественные и качественные
характеристики признаков.
Система обеспечивает качественное отображение признаков на
цветном мониторе на основе светофорных пиктограмм: зеленый —
норма, желтый — требует принятия мер, красный — недопустимо.
341

Программное обеспечение «КОМПАКСЭкспресс» включает в
себя несколько режимов работы:
– Монитор (основной) — для отображения информации о со
стоянии объекта (рис. 6.7);
– Архив (вспомогательный) — для работы с архивом актов;
– Тренд (дополнительный) — для отображения и анализа трен
дов параметров;
– Анализ (дополнительный) — для анализа спектра сигнала, по
ступающего с преобразователей;
– Система (дополнительный) — для отображения информации
о состоянии аппаратных средств;
– Осциллограф (дополнительный) — для анализа формы сигна
лов и настройки аппаратных средств.
Взаимодействие оператора с программным обеспечением реали
зовано в интерактивном (диалоговом) режиме с использованием
меню. Каждому из режимов работы программы соответствует свой
экран, который разделен на меню (в верхней части экрана) и ин
формационное поле (расположено под меню).
Переход из одного режима (экрана) в другой осуществляется
выбором в меню соответствующей опции, для выбора которой не
обходимо установить (курсор) на соответствующую опцию и нажать
клавишу «Enter».

Рис. 6.7. Экран режима «Монитор» вибродиагностической системы

342

Вибродиагностический комплекс «Вектор>2000» предназначен,
как и предыдущие комплексы, для диагностирования узлов КМБ и
является одним из первых вибродиагностических комплексов, ко
торые внедрялись на железнодорожном транспорте.
В качестве сборщика вибросигнала используется виброанализа
тор СД21, характеристики которого приведены в табл. 6.10.
Таблица 6.10
Основные характеристики СД>21

Вибрация измеряется акселерометрами, устанавливаемыми на
подшипниковых щитах ТЭД, кожухе редуктора и корпусах букс ко
лесных пар. Частота вращения колесной пары контролируется с
помощью фотодатчика ФД2.
Обработка вибросигнала выполняется с помощью программы
DREAM (рис. 6.8). Результаты измерений заносятся в базу данных,
после чего выполняются процедуры анализа случайных и гармони
ческих составляющих вибрации, сравнения с эталонами. В резуль
343

Рис. 6.8. Окно работы с программой

тате выдается отчет о техническом состоянии диагностируемого
узла с перечнем всех найденных дефектов, степени их развития и
выдается рекомендация по обслуживанию и ремонту.
Комплекс «Вектор2000» позволяет контролировать техническое
состояние следующих узлов:
– подшипники качения (буксовые, моторноякорные, опорные,
малой шестерни, вспомогательных машин);
– подшипники скольжения (моторноосевые, вспомогательных
машин);
– зубчатые зацепления;
– ременные передачи;
– валы и муфты.
На предприятиях железнодорожного транспорта внедрен вибро
диагостический комплекс «СМ3001АРМИД» (ООО «ИНКОТЕС»,
г. Нижний Новгород) на базе переносного сборщикавиброанали
затора сигналов СМ3001 и программного обеспечения АРМИД.
Переносное виброизмерительное устройство СМ3001 предназ
начено для измерения, обработки и хранения вибросигналов. Пе
344

ред проведением диагностических операций в память виброизме
рительного устройства загружают программу сбора информации,
соответствующую виду подвижного состава. Программа содержит
сведения о номерах единиц подвижного состава и колесных пар,
точках установки вибродатчиков, режимах измерений. После выве
шивания колесной пары и ее раскрутки до установленной частоты
вращения, предусмотренной методикой и инструкцией измерения,
записывают вибросигналы по всем контрольным точкам. Анализ
выбросигналов выполняется на базовом компьютере с использова
нием специализированной программы «АРМИД».
В результате анализа параметров вибросигнала рассчитывается
значение критерия, по которому оценивается степень развития де
фекта. Граничные значения критерия для каждого узла предвари
тельно устанавливаются в результате анализа вибросигналов по не
скольким тысячам испытаний. В комплексе «СМ3001АРМИД»
приняты следующие уровни критериев:
– начальный уровень дефектности узла от 61 до 80 % — при этом
значении неисправность устраняется согласно рекомендациям без
повторного диагностирования;
– ремонтный уровень дефектности узла от 81 до 100 % — при
этих значениях после устранения неисправности проводят повтор
ное диагностирование. Если уровень дефектности не изменился, то
КМБ либо выпускают в эксплуатацию до следующего ТО3 с обя
зательным диагностированием, либо принимают решение о его вы
катке;
– предаварийный уровень дефектности более 100 % — после
выполнения мероприятий по устранению неисправностей прово
дят повторное диагностирование; если процент дефектности 100 %
и более, то КМБ подлежит выкатке.
На рис. 6.9 представлен пример отчета по результатам диагнос
тирования комплексом «СМ3001АРМИД».
Система вибродиагностики ОСМД>02 внедрена более чем в 150
локомотивных, вагонных и моторвагонных депо. Система обеспе
чивает:
– контроль за вибропараметрами механизмов в соответствии с
действующими нормами;
– выявление конкретных дефектов и неисправностей контроли
руемых узлов согласно инструктивных указаний ЦТ№330; 3ЦВРК;
ИТМ1ВТ;
345

Рис. 6.9. Отчет по результатам диагностирования

– представление результатов автоматизированной диагностики
на экране монитора в графическом и текстовом виде;
– занесение результатов измерений в многоуровневую базу дан
ных;
– печать протоколов контроля;
– возможность передачи результатов диагностики по корпора
тивной сети в дистанционный диагностический центр для углуб
ленного анализа и корректировки диагностических алгоритмов.

6.2. Методы оценки технического состояния
тягового редуктора
Наряду с виброакустическим методом оценки технического со
стояния зубчатой передачи тягового редуктора локомотива возмож
но применение безразборного метода контроля степени износа
зубъев шестерен.
346

В процессе эксплуатации локомотива поверхности зубъев шес
терни ТЭД и зубчатого колеса изнашиваются. При этом увеличива
ется боковой зазор между зубъями. Без разборки кожуха тягового
редуктора оценить величину бокового зазора между зубъями мож
но с помощью следующего метода.
На щеткодержатель ТЭД устанавливают электромеханический
датчик (рис. 6.10), который состоит из корпуса 1, поворотного кор
пуса 2, подвижной штанги 4 с резиновым наконечником 3, датчи
карезистора 8, измерительного прибора 7, поворотного стержня 6
и оси 5, жестко установленной в корпусе датчика.
Для контроля бокового зазора применена мостовая схема посто
янного тока, в которой в плечо АБ подключен датчикрезистор R1,
а в плечо АГ — подстроечный резистор R4 [56].

Рис. 6.10. Схема установки электромеханического датчика

347

Контроль износа зубъев шестерен тягового редуктора выполня
ют в следующей последовательности. На ТЭД снимают смотровой
лючок и вместо одной из щеток устанавливают электромеханичес
кий датчик. Затем подключают измерительную схему контроля за
зоров. В заторможенном состоянии локомотива от аккумуляторной
батареи запитывают ТЭД. При этом происходит проворот якоря до
момента выборки зазоров между зубъями шестерен тягового редук
тора. В этом положении шестерен стрелку измерительного прибора
настраивают на ноль и переключают реверс в обратное направле
ние. Якорь ТЭД проворачивается в обратном направлении до мо
мента выборки зазоров. При этом происходит поворот штанги элек
тромеханического датчика на угол, пропорциональный зазору между
зубъями. Предварительно должна быть выполнена тарировка шка
лы прибора в линейных единицах.
Этот метод позволяет оценить зазор между зубъями шестерен с
абсолютной погрешностью ±0,05 мм.
Для оценки технического состояния большинства элементов
механической части локомотива применяются методы неразруша
ющего контроля.

348

Глава 7. ДИАГНОСТИРОВАНИЕ
ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
7.1. Оценка состояния секций холодильника
Необходимость диагностирования систем охлаждения дизелей
вызвана снижением теплорассеивающей способности секций холо
дильника в процессе эксплуатации тепловозов изза загрязнения,
что приводит к увеличению времени работы вентилятора и допол
нительному расходу топлива. В процессе эксплуатации происходит
загрязнение секций пылью, подтеками масла, сдвиг пластин ореб
рения и внутреннее загрязнение отложениями накипи, продуктов
коррозии и другими механическими примесями. При этом увели
чивается гидравлическое сопротивление в системе охлаждения, ра
стет давление воды и снижается расход воды через систему.
Предельное загрязнение радиаторных секций даже при макси
мальном использовании производительности вентилятора может
вызвать перегрев воды в системе охлаждения, что приведет к ава
рийному ограничению мощности двигателя. Из опыта эксплуата
ции тепловозов установлено, что до 60 % секций холодильников не
требуют ремонта (демонтаж и очистка). Таким образом, для опти
мизации ремонта теплообменных аппаратов системы охлаждения и
водомасляных теплообменников необходим контроль их техничес
кого состояния для обоснованного определения необходимости де
монтажа и очистки.
В табл. 7.1 приведены результаты исследования неисправностей
секций холодильников тепловозов 2ТЭ10М в условиях эксплуата
ции [57].
Нарушение контакта ребер с трубками является следствием не
качественной пайки, температурных деформаций в процессе ра
боты, воздействия вибрации, изменения давления внутри трубок
(рис. 7.1).
349

Таблица 7.1
Дефекты водовоздушных секций тепловозов 2ТЭ10М

При небрежном обращении с
секциями в процессе монтажа, де
монтажа, ремонта появляется такой
дефект, как смятие пластин оребре
ния. Эта неисправность приводит к
ухудшению процесса теплообмена
и снижению теплорассеивающей
способности секции (рис. 7.2).
Рис. 7.1. Нарушения пайки трубок
Самым серьезным дефектом
секций является течь трубок. Наи
более часто этот дефект возникает
в местах припайки трубок к труб
ным решеткам. При возможности
течь устраняется пайкой. Иногда
приходится снимать один или два
коллектора и устранять течь заг
лушкой трубки или припайкой к
трубной решетке.
Внутренняя поверхность трубок
в процессе эксплуатации загрязня
Рис. 7.2. Секция со смятыми
ется по причине отложения на по
пластинами оребрения
350

верхности слоя шлама и накипи. Максимальный слой накипи и
шлама наблюдается во входной части трубок на глубину 5—20 мм.
Механизм образования этих отложений можно представить следу
ющим образом. Во входном сечении трубок задерживаются попав
шие тем или иным образом в охлаждающую воду механические ча
стицы (остатки уплотняющих прокладок, частицы металла и ржав
чины и др.). Эти частицы являются, вероятно, своего рода цент
рами, вокруг которых и образуются под действием достаточно
высокой температуры накипеобразные отложения. На рис. 7.3, а, б
изображен эскиз трубной решетки секций с различным техничес
ким состоянием, составленный по результатам осмотра и обмера
загрязняющих отложений входного отверстия трубок (черным цве
том показан слой шлама и накипи внутри трубок) [60]. Наиболь
ший уровень накипи и шлама наблюдается в зоне малых радиусов

Рис. 7.3. Вид трубной решетки секции № 5 (а) и № 13 (б), в различной
степени забитых слоем шлама и накипи

351

Рис. 7.4. Сечения трубок секций в зоне максимальной степени загрязнения

трубки (рис. 7.4). Как известно, интенсивность теплоотдачи по по
верхности трубки неодинакова. Максимальное значение коэффи
циента теплоотдачи наблюдается на лобовой части трубки, следо
вательно, такое расположение отложений значительно снижает ко
эффициент теплоотдачи и приводит к понижению теплорассеива
ющей способности секции в целом.
В процессе эксплуатации происходит загрязнение и наружной,
теплопередающей поверхности. Частицы сажи, масла, пыли, песка
попадают на внешнюю поверхность теплообмена. Толщина слоя
загрязнения на трубках и охлаждающих пластинах доходит до од
ного миллиметра [57].
Один из способов контроля технического состояния (теплорас
сеивающей способности) секций холодильника является контроль
температуры воздуха на входе и выходе из зоны секций.
Для оценки теплорассеивающей способности секций применя
ется комплект средств диагностирования, в состав которого входят:
прибор ИДЦ1, запоминающее устройство и 16 датчиков темпера
туры с блоком подстройки. Процесс диагностирования выполняет
ся при стабильных скоростном режиме работы вентилятора и тем
пературе воды на входе секций. Результаты измерений сравнива
ются с эталонными, полученными для исправных (чистых) секций,
при тех же режимах работы и внешних условиях. В результате опре
деляется коэффициент теплопередачи, который уменьшается с ухуд
шением технического состояния секций холодильника (рис. 7.5).
Дополнительную информацию о техническом состоянии секций
холодильника несет такой параметр, как давление охлаждающей
жидкости. В процессе работы тепловоза изменяются гидродинами
352

Рис. 7.5. Зависимость допустимой теплорассеивающей способности секции
(а) и температуры воздуха (б) на выходе из секции от температуры наружного
воздуха

ческие параметры секций холодильника. Установлено, что система
охлаждения дизеля работает удовлетворительно, когда давление
после насоса находится в пределах 0,225—
0,235 МПа (ТЭ10). Снижение давления ука
зывает на низкую производительность водяно
го насоса, более высокое — на загрязнение
трубок секций накипью.
Каждую отдельную секцию холодильника
можно диагностировать по методу температур
ного перепада. Для реализации метода на сек
ции устанавливают температурные датчики
(рис. 7.6). При этом применяются два способа
измерения температуры воды: на коллекторных
коробках секций (датчики 2 и 5) и в межребер
ном пространстве (датчики 3 и 4). Для измере
ния используют многоточечный регистрирую
щий потенциометр КСМ4. Результаты конт
роля температурного перепада сравнивают с
Рис. 7.6. Расположение датчиков температуры
на секции холодильника:
1, 6 — датчики коллектора; 2, 5 — датчики секций холо
дильника; 3, 4 — датчики межреберного пространства

353

температурным перепадом на коллекторах холодильника (датчи
ки 1 и 6). Если перепад температуры в секции на 5 °С меньше пере
пада в коллекторах, то секция должна подвергаться промывке.
Секции холодильника, подлежащие ремонту, снимают с теп
ловоза, очищают и промывают. Очищенные секции для установ
ления мест утечек опрессовывают водой под давлением 0,3 МПа
(воздушноводяные) и 0,8 МПа (воздушномасляные). Установле
ние места течи трубок, расположенных внутри секции, осуществляют
следующим образом. Трубную коробку устанавливают в специаль
ное приспособление с уплотнением по всему периметру толстыми
резиновыми прокладками. Приспособление вместе с секциями ус
танавливают в емкость в вертикальное положение и заполняют водой.
Внутри секции создают избыточное давление воздуха (до 0,1 МПа).
Наличие и место дефекта выявляется по появлению пузырьков воз
духа под решеткой.
Если дефект обнаружен в месте припайки трубок к трубной ко
робке, это место перепаивают. После ремонта секции испытывают
на герметичность и контролируют площадь проходного сечения для
истечения жидкости. Для водяных секций время истечения 58 л во
ды из напорного бака через секцию должно составлять не более 65 с,
для масляных секций — не более 30 с, а с турбулизаторами — не
более 75 с.
В настоящее время все большее распространения получают тех
нологии оценки технического состояния секций холодильника с
использованием тепловизоров. К преимуществам инфракрасной
техники относятся: высокотемпературная разрешающая способ
ность приборов; дистанционность измерения; возможность интер
претации внутренних глубинных дефектов по измерениям возму
щения поля температуры на поверхности тела; высокопростран
ственная разрешающая способность приборов и др.
Для целей диагностирования может быть применена разработка
российского предприятия ООО «ИРТИС» — тепловизор ИРТИС200.
Перед началом диагностирования необходимо провести ряд под
готовительных работ:
– секции холодильника предварительно продуть сжатым возду
хом для исключения влияния пылевых отложений на результаты
контроля;
– необходимо убедиться в отсутствии подсоса воздуха в шахту
холодильной камеры при закрытом положении вентилей межкон
354

турного перепуска теплоносителей (мимо теплообменников, из од
них систем в другие), перекрытых вентилях подачи воды к топли
воподогревателю, отопительновентиляционному агрегату кабины
машиниста, резервуару противопожарной установки, бачку санузла;
– настроить и проверить тепловизор в соответствии с инструк
цией по его эксплуатации.
Необходимым условием применения тепловизора для целей диа
гностирования является то, что в момент съемки поверхность объек
та измерений должна находиться в прямой видимости под углом
наблюдения не менее 60°. Поверхности секций охлаждения в пери
од тепловизионных обследований не должны подвергаться допол
нительному тепловому воздействию от посторонних источников.
Тепловизионные измерения необходимо производить при режи
ме теплопередачи, близком к стационарному. Стационарность про
цесса достигают путем прогрева дизеля на номинальной позиции
контроллера машиниста в течение 15—30 мин до стабилизации зна
чений температуры воды и масла дизеля.
В процессе прогрева тепловоза фиксируют значение температу
ры наружного воздуха и воздуха в шахте холодильника. Выбор ин
формативного режима работы силовой установки тепловоза оче
виден — это режим номинальной мощности дизеля, характеризу
емый максимальным тепловыделением в систему охлаждения. В каче
стве контрольного параметра используется температурный перепад
стенки трубки радиаторной секции. Холодильник системы охлаж
дения подвергается обследованию (термообследованию) в процессе
проведения реостатных испытаний тепловоза (рис. 7.7).
Термограммы снимают с внутренней поверхности секций холо
дильника (со стороны шахты). Термограммы обрабатываются в ре
жиме термопрофиля (для типовых секций по десяти сечениям, для
укороченных секций — по пяти). По результатам обработки полу
чают температуру поверхности t j в каждом iм сечении. Темпера
п
турный перепад в каждом сечении вычисляется по формуле, °C,
∆t п( j ) = ti1 − t п( ij ) ,
где ti1 — температура воды на входе в радиаторную секцию iго контура, °С;

t п( ij ) — температура поверхности трубки jй секции iго контура, °С.

355

Рис. 7.7. Схема термографирования секций холодильника

В дальнейшем определяется среднее значение t п( j ) и сравнива
ется с нормативным (табл. 7.2). Таким образом обрабатывается тер
мограмма каждой секции (рис. 7.8) и в итоге формируется база дан
ных.
Таблица 7.2
Критическое количество загрязненных секций (2ТЭ10М)

356

Примечание: δ1 — толщина отложений во внутренней полости трубок сек
ции; δ2 — толщина отложений на наружной поверхности трубки и пластинах
оребрения секции; в числителе — количество секций верхнего ряда; в знаме
нателе — количество секций нижнего ряда.

Рис. 7.8. Термограмма группы секций холодильника

357

7.2. Оценка технического состояния
тормозного компрессора
Тормозной компрессор (КТ) относится к узлам локомотива, свя
занным с обеспечением безопасности движения. Надежная и устой
чивая работа тормозного компрессора напрямую оказывает влия
ние на надежность и качество работы тормозной системы. Поэтому
одной из важных задач при организации системы ремонта локомо
тивов и обеспечения безопасности движения является периодичес
кий контроль и оценка технического состояния тормозного комп
рессора.
В табл. 7.3 приведены наиболее часто встречающиеся неисправ
ности тормозного компрессора и причины их возникновения.
После ремонта и сборки тормозной компрессор проходит обкат
ку и испытания на нагрев при противодавлении 100 Н/см2, проверке
на производительность, проверке на плотность. Производительность
компрессоров должна быть не менее: 2,75м3/мин при частоте вра
щения коленчатого вала 440 об/мин; 4,6 м3/мин — при 750 об/мин;
5,3 м3/мин — при 850 об/мин.
Таблица 7.3
Перечень неисправностей тормозного компрессора

358

359

В процессе эксплуатации основной неисправностью КТ являет
ся неисправность привода. Однако повышенные износы деталей
ЦПГ и КШМ приводят к снижению производительности тормоз
ного компрессора, повышению вероятности выхода его из строя и
увеличению расхода топлива.
Контроль технического состояния КТ в процессе эксплуатации
без отвлечения локомотива от работы возможен с применением
методики оценки технического состояния деталей компрессора по
360

результатам спектрального анализа смазочного масла (как это осу
ществляется при диагностировании дизеля). Согласно «Инструк
ции по техническому обслуживанию, ремонту и испытанию тор
мозного оборудования локомотивов и моторвагонного подвижно
го состава» на локомотивах на каждом втором техническом обслу
живании ТО3 (на маневровых локомотивах — на каждом ТО3)
отбирается проба масла для проведения физикохимического ана
лиза. Если содержание механических примесей превышает 0,08 %,
то масло сливается и заменяется свежим после установления при
чины повышенного загрязнения. При этом проба масла может быть
подвергнута спектральному анализу для установления концентра
ции элементов продуктов изнашивания.
Основные положения технологии диагностирования дизелей
тепловозов по результатам спектрального анализа смазочного ма
териала изложены в гл. 4 и могут быть использованы при диагно
стировании КТ. Необходимо учесть некоторые особенности при
менения этого метода для оценки технического состояния тормоз
ного компрессора. В двигателе внутреннего сгорания химическая
энергия топлива преобразуется в крутящий момент на валу, а в
тормозном компрессоре крутящий момент на валу преобразуется
в потенциальную энергию сжатого воздуха. Это приводит к фор
мированию своих закономерностей изнашивания деталей.
Тормозной компрессор КТ6 (КТ7) имеет два цилиндра низкого
давления (ЦНД) и один цилиндр высокого давления (ЦВД). Внут
ренний диаметр ЦВД изме
ряется в трех поясах и двух
плоскостях: «по валу» — в
плоскости, проходящей через
ось коленчатого вала и ось
цилиндра, и «по ходу» — в
плоскости, перпендикулярной
оси коленчатого вала комп
рессора. Износ втулки верх
ней головки шатуна контро
лируется в двух поясах и двух
плоскостях. На рис. 7.9, 7.10
в качестве примера представ Рис. 7.9. Схема изнашивания цилиндро
лены схемы изнашивания ци
вых втулок
361

Рис. 7.10. Схема изнашивания втулок верхней головки шатуна

линдровых втулок и втулок верхней головки шатуна тормозного
компрессора.
В процессе эксплуатации при проведении технических осмотров
и ремонтов по результатам спектрального анализа масла оценива
ется степень износа деталей ЦПГ и КШМ тормозного компрессора
с учетом установленных закономерностей изнашивания деталей, на
основании чего производится оценка технического состояния и
принимается решение о необходимости ремонта КТ.

362

Рекомендуемая литература
1. Пушкарев И.Ф., Пахомов Э.А. Контроль и оценка техническо
го состояния тепловозов. — М.: Транспорт, 1985. — 160 с.
2. Галкин В.Г., Парамзин В.П., Четвергов В.А. Надежность тяго
вого подвижного состава: учеб. пособие для вузов ж.д. трансп. —
М.: Транспорт, 1981. — 184 с.
3. Горский А.В., Воробъев А.А. Оптимизация системы ремонта ло
комотивов. — М.: Транспорт, 1994. — 208 с.
4. Головатый А.Т., Лебедев Ю.А. Техническое обслуживание и ре
монт локомотивов за рубежом. — М.: Транспорт, 1977. — 159 с.
5. Бервинов В.И. Техническое диагностирование локомотивов:
учеб. пособие. — М.: УМК МПС России, 1998. — 190 с.
6. Чанкин В.В. Cпектральный анализ масел в транспортных дви
гателях и методы контроля их состояния без разборки. — М.: Транс
порт, 1967. — 84 с.
7. Коллакот Р.А. Диагностирование механического оборудова
ния. — Л.: Судостроение, 1980. — 296 с.
8. Диагностирование дизелей / Е.А. Никитин, Л.В. Станислав
ский, Э.А. Улановский и др. — М.: Машиностроение, 1987. — 224 с.
9. Гаскаров Д.В., Голинкевич Т.А., Мозгалевский А.В. Прогнозиро
вание технического состояния и надежности радиоэлектронной ап
паратуры. — М.: Советское радио, 1974. — 224 с.
10. ГОСТ 2665685. Техническая диагностика. Контролепригод
ность. Общие требования. — Введ. 1985—11—20. — М.: Госстандарт
России: Издво стандартов, 1985. — 15 с.
11. ГОСТ 2091189. Техническая диагностика. Термины и опре
деления. — Введ. 1989—12—26. — М.: Госстандарт России: Издво
стандартов, 1989. — 9 с.
12. ГОСТ 2075990. Техническое диагностирование и прогнози
рование остаточного ресурса методом спектрального анализа мас
ла. — Введ. 1990—10—11. — М.: Госстандарт России: Издво стан
дартов, 1991. — 24 с.
363

13. Биргер И.А. Техническая диагностика. — М.: Машиностроение,
1978. — 240 с.
14. Мозгалевский А.В., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика. —
М.: Высшая школа, 1975. — 207 с.
15. Диагностика и регулировка тепловозов / А.З. Хомич, С.Г. Жал#
кин, А.Э. Симсон, Э.Д. Тартаковский. — М.: Транспорт, 1977. — 222 с.
16. Гиоев З.Г. Основы виброакустической диагностики электро#
механических систем локомотивов: монография. — Владикавказ:
РУХС, 2007. — 278 с.
17. Четвергов В.А., Пузанков А.Д. Надежность локомотивов:
уебник для вузов ж.#д. трансп. / Под ред. д#ра техн. наук, проф.
В.А. Четвергова. — М.: Маршрут, 2003. — 415 с.
18. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. — М.: Физматгиз, 1962. —
564 с.
19. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. — М.: Наука, 1969. —
399 с.
20. Диагностирование и прогнозирование технического состоя#
ния авиационного оборудования: учеб. пособие для вузов граждан#
ской авиации / В.Г. Воробъев, В.В. Глухов, Ю.В. Козлов и др.; под
ред. И.М. Синдеева. — М.: Транспорт, 1984. — 191 с.
21. Говорущенко Н.Я., Гагайзель А.В., Климец Б.И. Основы эксплуа#
тационной диагностики автомобилей. — Харьков: Прапор, 1967. —
254 с.
22. Карпов Л.И. Диагностика и техническое обслуживание трак#
торов и комбайнов. — М.: Машиностроение, 1977. — 320 с.
23. Говорущенко Н.Я. Диагностика технического состояния авто#
мобилей. — М.: Транспорт, 1970. — 252 с.
24. Дедков В.К., Северцев Н.А. Основные вопросы диагностиро#
вания сложных систем. — М.: Высшая школа, 1976. — 406 с.
25. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В. Основы технической
диагностики: учебное пособие для студентов вузов ж.#д. транспор#
та. — М.: Маршрут, 2004. — 318 с.
26. Калявин В.П., Мозгалевский А.В., Галка В.Л. Надежность и
диагностика судового электрооборудования и автоматики: учеб#
ник. — СПб.: Элмор, 1996. — 296 с.
27. Стрекопытов В.В., Пушкарев И.В. Надежность и техническая
диагностика локомотивов: учеб. пособие. — Л.: Ленингр. ин#т инж.
ж.#д. транспорта, 1988.— 60 с.
364

28. Пархоменко П.П., Согомонян Е.С. Основы технической диаг#
ностики: Оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратур#
ные средства / Под ред. П.П. Пархоменко. — М.: Энергия, 1981. —
320 с.
29. Основы технической диагностики: в 2#х книгах. Кн. I. Модели
объектов, методы и алгоритмы диагноза / Под ред П.П. Пархомен#
ко. — М.: Энергия, 1976. — 464 с.
30. Криворудченко В.Ф., Ахмеджанов Р.А. Современные методы
технической диагностики и неразрушающего контроля деталей и
узлов подвижного состава железнодорожного транспорта: учеб.
пособие для вузов ж.#д. транспорта / Под ред. В.Ф. Криворудченко. —
М.: Маршрут, 2005. — 436 с.
31. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетики. —
М.: Изд#во иностранной литературы, 1963. — 827 с.
32. Кульбак С. Теория информации и статистика. — М.: Наука,
1968. — 408 с.
33. Колмогоров А.Н. Теория информации и теория алгоритмов. —
М.: Наука, 1987. — 304 с.
34. ГОСТ 18353#79. Контроль неразрушающий. Классификация
видов и методов. — Введ. 1980—07—01. — М.: Госстандарт России:
Изд#во стандартов, 1980. — 12 с.
35. Алешин Н.П., Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия:
справочное пособие. — Минск: Высшая школа, 1987. — 271 с.
36. Ергучёв Л.А. Магнитные методы и средства неразрушающего
контроля деталей железнодорожного подвижного состава: посо#
бие. — Гомель: УО «БелГУТ», 2005. — 90 с.
37. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико#статистические мето#
ды экспертных оценок. — 2#е изд., перераб. и доп. — М.: Статисти#
ка, 1980. — 263 с.
38. Климов Е.Н., Попов С.А., Сахаров В.В. Иденитификация и
диагностика судовых технических систем. — Л.: Судостроение,
1978. — 176 с.
39. Технические средства диагностирования: справочник / В.В. Клю#
ев, П.П. Пархоменко, В.Е. Абрамчук и др.; под ред. В.В. Клюева. —
М.: Машиностроение, 1898. — 672 с.
40. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статис#
тика: учеб. пособие. — 6#е изд., стер. — М.: Высшая школа, 1998. —
479 с.
365

41. Смирнов Н.Н., Ицкович А.А. Методы обслуживания и ремон#
та машин по техническому состоянию. — М.: Знание, 1973. — 56 с.
42. Костанди Г.Г., Мозгалевский А.И., Рулев А.В. К вопросу оп#
ределения эффективности аппаратуры диагностики. — Вып. 93. Ч.
II. — Л.: Известия ЛЭТИ, 1971. — 176 с.
43. Карякин А.В. Обеспечить надежность парка локомотивов //
Локомотив. — 2007. — № 8. — С. 2—3.
44. Гапанович В.А. Белая книга ОАО «РЖД». Стратегические на#
правления научно#технического развития компании // Железнодо#
рожный транспорт. — 2007. — № 8. — С. 2—6.
45. Гапанович В.А. Необходим инновационный прорыв // Локо#
мотив. — 2008. — № 5. — С. 2—5.
46. Недосеков А.Н. Стратегические ориентиры производства
транспортной техники // Локомотив. — 2008. — № 11. — С. 5—7.
47. Палкин С.В. Как получить качественный подвижной состав //
Локомотив. — 2008. — № 12. — С. 5—7.
48. Четвергов В.А. Основы оптимизации надежности параметров
системы технического обслуживания тепловозов // Научные труды
ОмИИТа «Исследование надежности дизельного подвижного соста#
ва». — Т. 132, вып. II. — Омск, 1972. — 74 с.
49. Принципы построения системы технического обслуживания
и текущего ремонта локомотивов с учетом их технического состоя#
ния / Межвузовский тематический сборник «Совершенствование
системы технического обслуживания и ремонта локомотивов» /
В.А.Четвергов, А.И. Володин, А.Т. Осяев, В.Я. Артюхов; под ред.
В.А. Четвергова. — Омск: ОмГАПС, 1994. — С. 5—11.
50. Ермишин В.А. Локомотивное хозяйство: задачи и перспективы
развития: интервью с вице президентов ОАО «РЖД» А.В. Воротилки#
ным) // Локомотив. — 2009. — № 2. — С. 2—4.
51. Осяев А.Т. Управление техническим состоянием подвижно#
го состава // Железнодорожный транспорт. — 2008. — № 4. — С.
36—39.
52. Меламедов И.М. Физические основы надежности. — Л.: Энер#
гия, 1970. — 152. с.
53. Григорьев И.Б., Пономарев Н.И. Износ и долговечность авто#
мобильных двигателей. — М.: Машиностроение, 1976. — 248 с.
54. Морозов Г.А., Арциомов О.М. Очистка масла в дизелях. — Л.:
Машиностроение, 1971. — 192 с.
366

55. Сковородников Е.И. Методы оценки и пути снижения эко#
логического воздействия тепловозных дизелей на окружающую
среду: учеб. пособие. — Омск: ОмГАПС, 1995. — 104 с.
56. Данковцев В.Т., Киселев В.И., Четвергов В.А. Техническое об#
служивание и ремонт локомотивов: учебник для вузов ж.#д. транс#
порта / Под ред. В.А. Четвергова, В.И. Киселева. — М.: ГОУ «Учеб#
но#методический центр по образованию на железнодорожном
транспорте», 2007. — 558 с.
57. Методы оценки технического состояния, эксплуатационной
экономичности и экологической безопасности дизельных локомоти#
вов: монография / А.И. Володин, С.М. Овчаренко, О.В. Балагин и
др.; под. ред. А.И. Володина. — М.: ООО «Желдориздат», 2007. —
264 с.
58. Теенер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой
фазы. — М.: Химия, 1972. —136 с.
59. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. —
М.: Машиностроение, 1981. — 159 с.
60. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отра#
ботавших газов дизелей. — М.: Изд#во МГТУ им. Н.Э. Баумана,
2002. — 376 с.
61. Гурвич Л.В. Термодинамические свойства индивидуальных
веществ. — М.: Наука, 1987. — 513 с.
62. Бухтеев В.Ф., Скалин А.В. Системы технического диагности#
рования тягового подвижного состава: учеб. пособие. — М.: МИИТ,
2009. — 186 с.
63. Методические указания по применению средств технической
диагностики к реостатным испытаниям. — М.: ЦВНТиТ МПС РФ,
Транспорт, 2001. — 115 с.
64. Совершенствование системы ремонта тягового подвижного
состава на базе внедрения аппаратно#программных комплексов и
средств технической диагностики. Локомотивы и локомотивное
хозяйство. Ремонт локомотивов. — М.: ЦНТиЭИ МПС, 2000.
65. Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диа#
гностика роторных машин по вибрации. — СПб.: Изд. АО ВАСТ,
2000. — 56 с.
66. Киншт Н.В., Герасимова Г.Н., Кац М.А. Диагностика элект#
рических цепей. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 192 с.

367

Оглавление
Введение .................................................................................................... 3
Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ДИАГНОСТИКИ
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ............................................................... 6
1.1. Задачи технической диагностики ...................................................... 6
1.2. Основные понятия и термины технической диагностики ............ 12
1.3. Общая характеристика диагностического процесса ...................... 14
1.4. Методы распознавания .................................................................... 18
1.4.1. Метод Байеса ........................................................................... 18
1.4.2. Метод последовательного анализа ......................................... 23
1.4.3. Методы статистических решений .......................................... 25
1.5. Теория информации и диагностика ................................................ 29
1.5.1. Энтропия системы ................................................................... 29
1.5.2. Количество информации, получаемой
при диагностировании ..................................................................... 32
1.5.3. Диагностическая ценность обследования ............................. 33
1.5.4. Оптимизация диагностического процесса ............................ 36
1.6. Диагностические параметры ........................................................... 39
1.6.1. Классификация диагностических параметров ...................... 41
1.6.2. Способы выбора диагностических параметров ..................... 43
1.6.3. Нормативные значения диагностических параметров ......... 50
1.7. Диагностические модели ................................................................. 54
1.7.1. Модели непрерывных объектов ............................................. 61
1.7.2. Модели дискретных объектов ................................................ 63
1.7.3. Функциональные модели ....................................................... 66
1.7.4. Модели дефектов ..................................................................... 67
1.8. Контролепригодность локомотива .................................................. 69
1.8.1. Основные понятия и определения ......................................... 69
1.8.2. Показатели контролепригодности ......................................... 72
1.9. Принципы построения алгоритмов поиска неисправностей ........ 73
1.9.1. Метод ветвей и границ ............................................................ 73
1.9.2. ИнженерноBлогические алгоритмы поиска .......................... 77
1.10. Ошибки и достоверность диагностирования ................................ 79
1.11. Прогнозирование изменения состояния объекта ........................ 83

368

1.11.1. Аналитический метод прогнозирования ............................. 84
1.11.2. Вероятностное прогнозирование ......................................... 86
1.11.3. Статистическая классификация ........................................... 88
1.12. Стратегия применения диагностических средств ........................ 89
1.12.1. Расчет периодичности диагностирования ........................... 89
1.12.2. Модель экранов ..................................................................... 93
1.13. Оценка эффективности технического диагностирования ........... 95
Глава 2. РОЛЬ И МЕСТО ДИАГНОСТИКИ
В ОБЕСПЕЧЕНИИ НАДЕЖНОСТИ
ЛОКОМОТИВНОГО ПАРКА .........................................................
2.1. Состояние парка локомотивов и основные пути его улучшения ....
2.2. Принципы управления надежностью ТПС
на различных этапах жизненного цикла локомотивов .......................
2.3. Система технического обслуживания и ремонта,
пути ее совершенствования ..................................................................
2.4. Моделирование величины затрат на различных стадиях
жизненного цикла локомотивов ..........................................................
2.5. Особенности локомотива как объекта диагностирования ..........

108
109
113
124
135
143

Глава 3. ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМ,
СРЕДСТВ И МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ..................... 148
3.1. Классификация систем, методов и средств диагностирования .... 148
3.2. Методы неразрушающего контроля .............................................. 152
3.3. Метод экспертных оценок ............................................................. 173
3.4. Виброакустические методы ........................................................... 178
3.5. Тепловые методы ............................................................................ 186
3.5.1. Контактные методы теплового контроля ............................ 187
3.5.2. Бесконтактные методы теплового контроля ....................... 195
3.6. Метод спектрального анализа смазки ........................................... 203
3.7. Газоаналитический метод ............................................................... 207
3.8. Математические методы ................................................................ 210
3.9. Метод визуального контроля ......................................................... 210
Глава 4. МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ ............... 216
4.1. Функционально#параметрический контроль
и диагностирование .............................................................................. 216
4.2. Диагностирование состояния деталей ЦПГ и КШМ .................. 230
4.3. Диагностирование топливной аппаратуры ................................... 255
4.4. Диагностирование газораспределительного механизма .............. 259

369

4.5. Контроль параметров газовоздушного тракта .............................. 262
4.6. Диагностирование турбокомпрессора .......................................... 262
4.7. Оценка экологических характеристик дизеля .............................. 265
Глава 5. ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЛОКОМОТИВА ........................ 272
5.1. Технические средства диагностирования электрических
машин ............................................................................................... 272
5.2. Диагностирование электрических аппаратов ............................... 289
5.3. Поиск неисправностей электрических цепей .............................. 296
5.4. Системы контроля и диагностики электрооборудования
локомотивов ..................................................................................... 301
5.4.1. Система контроля и диагностики «Доктор#030M» ............. 301
5.4.2. Система контроля технических характеристик
токосъемников ОКО#ПГ ................................................................ 303
5.4.3. Система проверки секвенции силовых низковольтных
цепей локомотивов ОКО#E ............................................................ 304
5.4.4. Система контроля качества изоляции силовых
кабелей, распределительных устройств, двигателей
и генераторов ОКО#М .................................................................... 306
Глава 6. ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЭКИПАЖНОЙ ЧАСТИ
И МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛОКОМОТИВА ...... 309
6.1. Методы и средства диагностирования букс локомотивов ........... 309
6.1.1. Диагностирование букс колесных пар по результатам
спектрального анализа пластичной смазки .................................. 316
6.1.2. Тепловой метод контроля технического состояния
буксовых узлов ................................................................................ 323
6.1.3. Вибродиагностика буксовых узлов локомотивов ................ 327
6.2. Методы оценки технического состояния тягового редуктора ..... 346
Глава 7. ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ ........................................................................... 349
7.1. Оценка состояния секций холодильника ..................................... 349
7.2. Оценка технического состояния тормозного компрессора ......... 358
Рекомендуемая литература ................................................................... 363

370

Учебное издание

Четвергов Виталий Алексеевич
Овчаренко Сергей Михайлович
Бухтеев Владимир Федорович

ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЛОКОМОТИВОВ

Под редакцией В.А. Четвергова
Учебное пособие

Подписано в печать 23.11.2012 г.
Формат 6084/16. Печ. л. 23,25. Тираж 200 экз. Заказ
ФГБОУ «Учебно?методический центр по образованию
на железнодорожном транспорте»
105082, Москва, ул. Бакунинская, д. 71
Тел.: +7 (495) 739?00?30, e?mail: info@umczdt.ru;
http://www.umczdt.ru

371

Для заметок