Nghiên cứu Xây dựng hệ thống chẩn đoán kỹ thuật cho động cơ điện kéo trên đầu máy D12E TS. đỗ việt dũng Bộ môn Đầu máy - Toa xe Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT Tóm tắt: Sau khi sửa chữa các cấp tại nh máy v đặc biệt l khi phát sinh h hỏng trong quá trình khai thác, việc chẩn đoán kỹ thuật cho các động cơ điện kéo trên các đầu máy diesel truyền động điện nói chung v đầu máy D12E nói riêng hiện nay còn cha đợc giải quyết đầy đủ bằng phơng pháp đánh giá khách quan, chính xác. Nội dung bi báo ny trình by phơng pháp xây dựng hệ thống chẩn đoán kỹ thuật cho động cơ điện kéo trên đầu máy D12E trong quá trình khai thác v các kết quả đã đạt đợc khi thử nghiệm tại hiện trờng. Summary: After having failures in operation and being repaired in factories, traction motors used in electrically transmitted diesel locomotives, especially in D12E ones, are not diagnosed by an accurate method. This paper presents a method of establishing a diagnostic system for traction motors of the D12E locomotives. The research results are obtained in the field. i. hệ thống truyền động điện v động cơ điện kéo đầu máy d12e Đầu máy D12E là đầu máy diesel truyền động điện (TĐĐ) một chiều công suất trung bình, dùng để kéo tầu khách, hàng và dồn với tốc độ cấu tạo là 80 km/h. Bộ phận chạy đầu máy gồm 4 giá chuyển hớng với 4 trục chủ động dẫn động từ 4 động cơ điện kéo (ĐCĐK) một chiều kích từ nối tiếp loại TEO 15B. Các ĐCĐK đợc cấp năng lợng điện một chiều từ tổ động cơ diesel K6S23 CDR - máy phát điện kéo (MFĐK) một chiều TD 805D. Về mặt kết cấu, máy điện kéo trên đầu máy D12E đợc thiết kế, chế tạo đảm bảo có thể vận hành tin cậy trong điều kiện vận dụng khắc nghiệt trên đờng sắt Việt Nam [1], [2]. Tuy nhiên, do thời gian sử dụng đã khá lâu, chất lợng kỹ thuật của chúng đã bị suy giảm, cần thiết phải thờng xuyên kiểm tra, kịp thời phát hiện và khắc phục h hỏng để nâng cao độ tin cậy vận dụng của đầu máy. Để kiểm tra các thông số làm việc của bộ truyền động điện (TĐĐ), trên đầu máy D12E có bố trí một số đầu ra tín hiệu trên các cổng kiểm tra phía trớc của bộ điều khiển trung tâm GC28, cung cấp khá đầy đủ các thông số giúp cho quá trình đánh giá trạng thái kỹ thuật cho MFĐK và hệ thống điều chỉnh tự động công suất đầu máy. Nhng đối với ĐCĐK thì bộ GC28 và hệ thống đo lờng đầu máy không phản ảnh đợc các thông số làm việc riêng cho từng ĐCĐK. Điều này khiến cho việc kiểm soát hoạt động, chẩn đoán h hỏng của từng ĐCĐK riêng lẻ trong quá trình vận dụng gặp nhiều khó khăn. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng các phơng pháp đã công bố [2], [3], để thiết lập một hệ thống đo kiểm, trợ giúp chẩn đoán kỹ thuật cho ĐCĐK TEO 15B trên đầu máy D12E là rất cần thiết. ii. xây dựng hệ thống chẩn đoán kỹ thuật (CĐKT) cho ĐCĐK trên đầu máy d12e 2.1. Xây dựng mô hình CĐKT cho ĐCĐK TEO 15B Một hệ thống CĐKT bất kỳ bao gồm những phần tử có quan hệ tơng hỗ với nhau (hình 1), bao gồm: đối tợng chẩn đoán (ĐTCĐ), các thông số chẩn đoán (TSCĐ), các tiêu chuẩn chẩn đoán, các thiết bị và phơng tiện chẩn đoán (PTCĐ), quy trình chẩn đoán, thuật toán và chơng trình chẩn đoán (CTCĐ), các bộ phận tiếp nhận và xử lí các thông tin (TNCĐ), con ngời thao tác [1], [2], [3]. Từ các công trình đã công bố [1], [2], ta đã có mô hình CĐKT tổng quát cho ĐCĐK trên đầu máy diesel. Với các TSCĐ và các tiêu chuẩn chẩn đoán của ĐCĐK TEO 15B [3], ta xác định đợc tập hợp tối thiểu các TSCĐ Zmin (1) và Grap chẩn đoán cho ĐCĐK đầu máy D12E (hình 2), đáp ứng đợc yêu cầu chẩn đoán, phù hợp với các điều kiện thực tế tại Xí nghiệp Đầu máy [3]. Zmin = {Rcf, IFĐ, UFĐ, R, Ak, UKT, IPM, c, PFĐ, MK, Rcc, Rtx, ta, UƯ, nK (VK), tct, Pc, tk, Uk} (1) Hàm chuẩn hội logic của mô hình 2 có dạng: FĐ = (PFĐ) (PFĐ UFĐ K1) (UFĐ IFĐ UƯ K1) (UƯ Uk K2) (Uk c AK K3) (c Pc K4) (Pc Rtx K5) (Rtx AK K6) (AK tK K7) (tK K8) (IFĐ Rcc R RcF MK K13) (RcF AK K11) (Rcc UKT K12) (UKT IPM K9) (IPM AK K10) (ta R) (ta K14) (MK tct nK K16) (nK tct PFĐ K16) (2) Mỗi TSCĐ lại tơng ứng với phép kiểm tra nhằm xác định TTKT cho một bộ phận hoặc một phần tử thuộc ĐCĐK TEO 15B. Tập hợp các kết luận Ki (i = 1, , 17,[3]) về tình trạng kỹ thuật cụ thể của mỗi phần tử cấu tạo của ĐCĐK TEO 15B, đợc xây dựng dựa vào mô hình của ĐTCĐ, các hệ phơng trình logic (2) và dựa trên kinh nghiệm chẩn đoán, vận dụng sửa chữa của các chuyên gia và sự so sánh giữa thông số đo đạc, với các tiêu chuẩn chẩn đoán. Từ mô hình 2 xây dựng chơng trình chẩn đoán tự động cho ĐCĐK TEO 15B với sự trợ giúp của các thiết bị đo lờng và vi xử lí thông qua việc ứng dụng thuật toán với lu đồ tổng quát (hình 3), qua 19 bớc kiểm tra theo một quy trình chẩn đoán phù hợp với điều kiện thực tế [3]. TSCĐ PTCĐ T.T.CĐ TNCĐ Tác đ ộ n g nhân t ạ o Tác đ ộ n g của v ậ n hành Đ TCĐ Hình 1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống chẩn đoán kỹ thuật K 6 P FĐ U FD I FĐ U R CC U K K 2 K 1 K 5 K 3 K 4 K 9 K 10 K 12 K 13 K 11 R CF K 7 R T X P C C A k t K t a K 8 U KT I PM R Ư K 14 M K t ct n K K 15 K 16 Hình 2. Grap chẩn đoán TTKT tối u của ĐCĐK TEO 15B 2.2. Thiết lập chơng trình kiểm tra, chẩn đoán cho ĐCĐK TEO 15B trong quá trình vận dụng Để có thể đánh giá đợc TTKT của ĐCĐK ở tình trạng đang vận hành trên tuyến, cần đo đạc đồng thời nhiều thông số làm việc của chúng, trong đó quan trọng nhất là việc đo đạc, đánh giá chính xác các giá trị lớn của điện áp và dòng điện kéo và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho ngời và thiết bị đo. Việc chẩn đoán riêng cho ĐCĐK đợc thực hiện khi xuất hiện h hỏng đợc phán đoán là của các ĐCĐK trong quá trình đầu máy đang vận dụng Để đánh giá đợc chính xác h hỏng có thuộc về các ĐCĐK hay không, bớc đầu tiên là cần kiểm tra công suất của hệ thống động lực (bớc 4 của quy trình chẩn đoán tổng hợp [2], [3]) để loại trừ các h hỏng của cụm động cơ diezel MFĐK và hệ thống điều chỉnh tự động trên đầu máy. Sau đó tiến hành thực nghiệm kiểm tra ĐCĐK trên tuyến, thực hành đo đạc các TSCĐ Z i và đánh giá theo mô hình chẩn đoán đã lựa chọn. Thuật toán thử nghiệm riêng ĐCĐK bao gồm [3]: - Phần thuật toán chơng trình phục vụ cho việc đọc dữ liệu qua cổng COM của máy tính, lu giữ hiển thị số liệu và kết quả chẩn đoán. - Các phần thuật toán chơng trình chẩn đoán: + Phần chơng trình thử nghiệm công suất + Chẩn đoán ĐCĐK trong quá trình vận dụng - Từ sơ đồ khối, tiến hành thiết lập các chơng trình chẩn đoán chung và chẩn đoán riêng ĐCĐK khi vận dụng bằng ngôn ngữ lập trình hớng đối tợng Microsof Visual Basic 6.0 [3]. Kiểm tra ĐCĐK Bắt đầu Nh ậ p các tiêu chuẩn T i (i = 1-17) Đọc các TSCĐ R j từ cổng Com In dữ liệu đo, vẽ đồ thị TS đo Nhập các TSCĐ R k Từ bàn phím T 1 & P FD Đúng T 2 & U FD T 3 & U Đúng T 4 & U k Đúng T i & R ik Đúng T 17 & n K Đúng Đúng Kết luận tổng át In báo cáo Kết thúc Kết luận 17 Sai Kết luận i Sai Kết luận 3 Sai Kết luận 2 Sai Kết luận 1 Sai Kết luận 1 Sai Hình 3. Lu đồ thuật toán chẩn đoán ĐCĐK TEO 15B ADC TLC 7135C . Analog Inputs RS232 Tạo nguồn DTR GND RTS DOut CTR Khối điều khiển(VXL) CS Clock DIN Clock A DC Bộ nối ghép trung gian . . Đầu ra cảm biến Đầu ra cảm biến Đầu KT CR Đầu KT CR Hình 4. Sơ đồ khối thiết bị đo, trợ giúp chẩn đoán đầu máy D12E 2.3. Phơng án thiết kế, lựa chọn hệ thống đo [3] Trên hình 4 là sơ đồ khối thiết bị đo hiện đã đợc trang bị tại Xí nghiệp Đầu máy Hà nội để chẩn đoán MFĐK, đầu ra số của thiết bị đợc nối ghép vào cổng COM (RS 232) của máy tính, đầu vào tơng tự của thiết bị đợc đấu nối tuỳ theo bớc kiểm tra cụ thể [2], [3]. Để thực hiện chẩn đoán ĐCĐK, nh đã trình bày, cần đo đợc điện áp, dòng điện kéo ở trạng thái các ĐCĐK đầu máy đang vận hành, có trị số rất cao (với U MFĐK = 850V; I MFĐK = 1200A). Vì vậy, trớc khi đa tín hiệu điện áp phần ứng của ĐCĐK vào cổng vào tơng tự của thiết bị chẩn đoán đã có ([1], [2]), tín hiệu đo phải đợc đa qua bộ chuyển đổi cách ly. Tín hiệu ra tơng tự của bộ chuyển đổi cách ly có giá trị phù hợp với đầu vào bộ biến đổi AD và vi xử lý (0 ữ 5V). Mặt khác để đảm bảo an toàn cho ngời và thiết bị trong quá trình đo, bộ chuyển đổi có thêm chức năng cách ly hoàn toàn giữa nguồn điện động lực (đầu vào) và thiết bị A/D (đầu ra). Có thể lựa chọn các thiết bị có thể đáp ứng đợc các nhiệm vụ này của nhiều hãng khác nhau (Booth, Siemen,) nhng khó lựa chọn phù hợp đợc dải đo cũng nh các thông số đầu vào của bộ A/D đã có (vốn đã đợc thiết kế lắp đặt cho đầu máy D12E). V +15 0 -15 O/I 120mV 100 mV 1000V G Hình 5. Sơ đồ khối bộ chuyển đổi cách ly GA33 Để tận dụng vật t sẵn có tại Xí nghiệp, ta sử dụng thiết bị chuyển đổi cách ly GA33 trong mạch điện đầu máy D12E để lắp đặt bộ chuyển đổi tín hiệu và cách ly điện áp cho hệ thống cần thiết kế. Bộ GA33 (hình 5) có các chức năng: Biến đổi điện áp từ (0 ữ 1000)V về điện áp (0 ữ 10)V, dòng điện từ (0 ữ 1500)A về điện áp (0 ữ 10)V. Cách ly giữa đầu vào và ra theo nguyên lý biến áp xung [3]. Bằng cách ghép nối các đầu vào 1000V và 0/I của các bộ GA33 với các đầu A1, B2 tơng ứng của các phần ứng ĐCĐK (hình 6), sao cho điện áp phần ứng của chúng đợc đặt trên các cổng vào cao áp của GA33. Các đầu ra của các bộ GA33 đợc nối chung điểm 0 và trùng với điểm 0 của nguồn cấp 15V, nguồn này đợc lấy trực tiếp từ nguồn 15V của đầu máy. Đầu ra tín hiệu chuyển đổi V của các bộ GA33 chính là các điện áp tơng tự có giá trị bằng 1% giá trị điện áp vào. Các đầu ra này sẽ đợc kết nối với các đầu vào tơng ứng của thiết bị chẩn đoán tổng hợp. Toàn bộ các bộ GA33 đợc lắp đặt trong một hộp kim loại, nhỏ gọn và đợc kết nối với mạch động lực, nguồn và thiết bị đo kiểm qua các giắc nối kép và dây dẫn tín hiệu. Hình6. Sơ đồ đầu nối của thiết bị với mạch điện đầu máy Hình 7. Tổ hợp thiết bị chuyển đổi, cách ly của thiết bị chẩn đoán ĐCĐK III. quá trình thực nghiệm v các kết quả đợc ứng dụng Quá trình thực nghiệm chẩn đoán ĐCĐK đầu máy D12E đợc tiến hành từ tháng 8 - 2003 đến tháng 10 - 2003, trong thời gian này thực hiện việc lựa chọn, lắp ráp, chế tạo thiết bị ghép nối, chuyển đổi - cách ly và lắp ghép với A/D đã có, xây dựng quy trình thử nghiệm, chơng trình đo ghi, xử lý dữ liệu theo mô hình chẩn đoán, tiến hành quá trình thực nghiệm kiểm tra chất lợng đầu máy và của các ĐCĐK ở trạng thái vận hành trên tuyến Hà Nội - Hải Dơng. Các kết quả thu đợc dới dạng số liệu, đặc tính của các TSCĐ (hình 8) và kết quả chẩn đoán về trạng thái kỹ thuật của ĐCĐK (hình 9) trên đầu máy cụ thể [3]. Hình 8. Đặc tính các TSCĐ của ĐCĐK vận dụng trên tuyến Hình 9. Kết quả chẩn đoán trạng thái kỹ thuật của ĐCĐKĐK Các kết quả thực nghiệm thu đợc đều thống nhất với các kết quả kiểm tra có đợc từ việc đo đạc trực tiếp, tuy nhiên tính khách quan, trực quan và độ chính xác cao hơn. Khi sử dụng thiết bị, có thể nhận biết chính xác sự biến đổi liên tục của các thông số đo, từ đó có những kết luận về bộ phận và mức độ h hỏng, TTKT cũng nh chất lợng kỹ thuật của M1 M2 M3 M4 Tới kích t ừ Giá 2 Tới MFĐK Tới kích t A A 1 ừ Giá 1 A 1 A 1 B2 1 B2 B2 B2 15V 15V 15V 15V M2 (K6) M3 (K7) M4 (K8) M1(K5) 1000V 1000V 1000V 1000V 0/I 0 0/I 0/I 0/I 0 0 0 V V V V GA33 - 2 GA33-3 GA33 - 4 GA33-1 từng ĐCĐK trên đầu máy đợc kiểm tra. Vì vậy, tháng 10/2003, thiết bị đã đợc chuyển giao cho Xí nghiệp Đầu máy Hà nội quản lý và khai thác, phục vụ cho công tác sửa chữa đầu máy. iv. Kết luận Cùng với mô hình grap chẩn đoán các máy điện kéo đã đợc thiết lập [1], [2], mô hình chẩn đoán kỹ thuật cho ĐCĐK TEO 15B trên đầu máy D12E và các thiết bị chuyển đổi cách ly đợc thiết kế, chế tạo trong nghiên cứu này để phục vụ đo đạc các TSCĐ của chúng, có thể ứng dụng ở các cơ sở sản xuất của ngành đờng sắt. Việc tiến hành nghiên cứu phơng pháp chẩn đoán TTKT cho toàn bộ hệ thống TĐĐ và ĐCTĐ trên đầu máy trong điều kiện khai thác đòi hỏi các chi phí về thời gian và thiết bị rất lớn và cần đợc đầu t từng bớc. Với các ĐCĐK đầu máy, ngoài các thông số, phơng pháp và phơng tiện đo đạc đợc trình bày ở trên, để chẩn đoán đợc chính xác chất lợng làm việc của chúng, còn cần tiếp tục hoàn thiện, bổ xung thêm các thiết bị đo lờng để đánh giá chất lợng cách điện, độ đánh lửa, độ rung, nhiệt độ các bộ phận của ĐCĐK trong quá trình vận hành. Các ứng dụng cụ thể cho đầu máy diesel TĐĐ nói chung và đầu máy D12E tại Xí nghiệp Đầu máy Hà Nội sẽ đợc trình bày trong nội dung của các bài báo tiếp theo. Tài liệu tham khảo [1]. Đỗ Việt Dũng, Đỗ Đức Tuấn (2003). Nghiên cứu xây dựng hệ thống đo ghi và chẩn đoán trạng thái kỹ thuật của một số thiết bị trong mạch điện đầu máy diesel. Đề tài NCKH cấp Bộ mã số B2001 35 07 - ĐHGTVT. [2]. Nguyễn Đình Thông, Đỗ Việt Dũng, Trần Trung Độ, Nguyễn Đăng Khoa (2003). Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật và công nghệ mới thiết kế chế tạo hệ thống đo kiểm trợ giúp chẩn đoán trạng thái kỹ thuật một số thiết bị điện chủ yếu trên đầu máy D12E. Đề tài dự thi Sáng tạo Khoa học Công Nghệ TCT Đờng sắt Việt nam. [3]. Đỗ Việt Dũng (2004). Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị chẩn đoán tình trạng vận hành của động cơ điện kéo đầu máy D12E thông qua kiểm tra hiện tợng quay trợt. Đề tài NCKH cấp trờng ĐHGTVT mã số T2004 - CK - 30 . một hệ thống đo kiểm, trợ giúp chẩn đoán kỹ thuật cho ĐCĐK TEO 15B trên đầu máy D12E là rất cần thiết. ii. xây dựng hệ thống chẩn đoán kỹ thuật (CĐKT) cho ĐCĐK trên đầu máy d12e 2.1. Xây. Nghiên cứu Xây dựng hệ thống chẩn đoán kỹ thuật cho động cơ điện kéo trên đầu máy D12E TS. đỗ việt dũng Bộ môn Đầu máy - Toa xe Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT . pháp đánh giá khách quan, chính xác. Nội dung bi báo ny trình by phơng pháp xây dựng hệ thống chẩn đoán kỹ thuật cho động cơ điện kéo trên đầu máy D12E trong quá trình khai thác v các kết quả