đỗ việt dũng Bộ môn Đầu máy - Toa xe - ĐH GTVT Tóm tắt: Bμi báo trình bμy nội dung nghiên cứu phân tích vμ đánh giá độ tin cậy của các phân hệ cơ bản như phân hệ động cơ diezel, phân h
Trang 1phân tích vμ đánh giá độ tin cậy
của các phân hệ trên đầu máy diezel truyền động điện
sử dụng trong ngμnh đường sắT
PGS TS đỗ đức tuấn Th.S đỗ việt dũng
Bộ môn Đầu máy - Toa xe - ĐH GTVT
Tóm tắt: Bμi báo trình bμy nội dung nghiên cứu phân tích vμ đánh giá độ tin cậy của các phân hệ
cơ bản như phân hệ động cơ diezel, phân hệ truyền động điện, phân hệ bộ phận chạy, phân hệ trang thiết bị phụ vμ phân hệ điều khiển trên đầu máy diezel truyền động điện D9E, D13E, D12E vμ D18E
đang sử dụng trong ngμnh đường sắt Việt Nam giai đoạn 1998 - 2001
Summary: The article presents an analysis and an evaluation of reliability of such basic
sub-systems as diesel engine sub-sub-systems, electric driving sub-sub-systems, running component sub-sub-systems, supplementary facilities sub-systems and control sub-systems on electric driving diesel locomotives
D9E, D13E, D12E, and D18E currently employed in Vietnam railways during 1998 - 2001
1 Đặt vấn đề
Chất lượng vận dụng của đầu máy được thể hiện qua hàng loạt các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật khác nhau, trong đó có các chỉ tiêu về độ tin cậy, thể hiện khả năng làm việc, mức độ hao mòn, hư hỏng của các chi tiết trên đầu máy trong các điều kiện làm việc cụ thể Độ tin cậy của đầu máy phụ thuộc vào độ tin cậy của các phân hệ cơ bản như phân hệ thiết bị động lực (phân hệ động cơ diezel), phân
hệ truyền động, phân hệ bộ phận chạy, phân hệ trang thiết bị phụ và phân hệ hệ điều khiển v.v Trong [1] đã giới thiệu phương pháp nghiên cứu liên quan tới việc đánh giá độ tin cậy của đầu máy với tư cách là một hệ thống kỹ thuật phức hợp, thông qua mô hình các hư hỏng gây gián đoạn chạy tầu trên tuyến Trong bài báo này trình bày một số kết quả tính toán, xác định các chỉ tiêu độ tin cậy của các phân hệ cơ bản trên các loại đầu máy diezel truyền động điện đang sử dụng trong ngành
đường sắt Việt Nam
2 Trình tự xác định các thông số độ tin cậy của các phân hệ trên đầu máy diezel
Để xác định các thông số độ tin cậy của các phân hệ cơ bản trên đầu máy diezel truyền động
điện nói chung, trong đó có phân hệ truyền động điện và phân hệ điều khiển, đã tiến hành khảo sát, thu thập các số liệu thống kê về các chỉ tiêu vận dụng, thời gian gián đoạn chạy tầu, thời gian làm việc của các phân hệ tương ứng trên đầu máy tới khi xuất hiện hư hỏng gây gián đoạn chạy tầu (thời gian làm việc giữa các lần xảy ra hư hỏng hay thời gian làm việc tới hỏng) của các loại đầu máy diezel truyền động điện D9E và D13E sử dụng tại Xí nghiệp Đầu máy Sài Gòn, đầu máy D12E sử dụng tại Xí nghiệp Đầu máy Hà Nội và D18E sử dụng tại Xí nghiệp đầu máy Vinh trong giai đoạn từ năm 1998
đến hết năm 2001
Trang 2Từ các số liệu thống kê tiến hành xác lập:
1 Các tập số liệu thống kê đại lượng ngẫu nhiên về thời gian làm việc của từng phân hệ trên đầu máy giữa hai lần xảy ra hư hỏng kế tiếp khi đầu máy vận hành trên tuyến, dẫn đến gây gián
đoạn chaỵ tàu nói chung và gây cứu viện nói riêng (hay thời gian làm việc tới hỏng) Tlvi,
2 Các tập số liệu thống kê đại lượng ngẫu nhiên về thời gian gián đoạn chạy tầu do một hư hỏng của từng phân hệ trên đầu máy gây ra khi vận hành trên tuyến (thời gian phục hồi) Tfhi
3 Xử lý các tập số liệu thống kê đại lượng ngẫu nhiên
Việc xử lý số liệu thống kê được tiến hành trên cơ sở lý thuyết độ tin cậy và thống kê toán học nhờ chương trình xử lý số liệu chuyên dùng [2] Mỗi tập số liệu được xử lý theo 7 luật phân bố khác nhau, bao gồm các luật phân bố: Chuẩn (Gauss), Lôga chuẩn, Mũ, Gamma, Veibull, Rơlei
và Maxoen
Khi xử lý số liệu bằng phương pháp nêu trên sẽ xác định được các đặc trưng bằng số tương ứng của các quy luật phân bố, bao gồm: kỳ vọng toán, phương sai, sai lệch bình phương trung bình v.v của thời gian làm việc giữa các lần hỏng và thời gian phục hồi của từng phân hệ nói riêng và của tổng thể hệ thống - đầu máy nói chung
4 Từ các giá trị kỳ vọng toán tương ứng, tiến hành xác định cường độ hỏng và cường độ phục hồi của từng phân hệ trên đầu máy nói riêng λi, μi và của tổng thể hệ thống - đầu máy nói chung
λs, μs [3, 4, 5]
Bảng 1
Các biểu thức xác định độ tin cậy của các phân hệ vμ hệ thống
Độ tin cậy của hệ thống
Nối tiếp
1 Hàm tin cậy (xác suất làm việc không hỏng) 1 Hàm tin cậy (xác suất làm việc không hỏng),
hàm sẵn sàng Phân bố mũ
(1)
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ λ
ư
= ∑
=
n 1 i i
P
Phân bố mũ
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
μ + λ
ư μ
λ + μ + λ
μ
= 1 exp t )
t (
s s s s
s
Phân bố Gauss
∏
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ σ
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛ σ
ư
ư
= n
1 i
i i i i s
a F
a t F 1 )
t
(
Phân bố mũ:
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
γ
λ + λ
ư +
∑
∑
ư
=
exp K S ) t ( S
n 1
1 i i
n 1 i i i s
s
s s
S
μ + λ
μ
∑
=
γ +
=
n 1 i i
s
1 1
Trang 3Tiếp bảng 1
Phân bố mũ
(3)
⎟
⎞
⎜
⎛ λ
ư
ư
= n 1 i i
Q
Phân bố mũ
s s
s
μ + λ
λ
Phân bố Gauss
∏
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ σ
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛ σ
ư
ư
ư
= n
1 i
i i i i s
a F
a t F 1 1 )
t
(
Phân bố mũ
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
μ + λ
ư λ
μ + μ + λ
λ
= 1 exp t )
t (
s s s s
s
Hệ số không sẵn sàng
s s
s s
K
μ + λ
λ
∑
∑
=
=
γ +
γ
=
n 1 i i
n 1 i i s
1
5 Từ các giá trị cường độ hỏng và cường độ phục hồi của từng phân hệ, tiến hành xác định các thông số độ tin cậy: hàm tin cậy (xác suất làm việc không hỏng) hay hàm sẵn sàng, hệ số sẵn sàng, xác suất hỏng hay hàm không sẵn sàng, hệ số không sẵn sàng và của từng phân hệ và cho tổng thể hệ thống - đầu máy theo từng năm và cho cả quá trình khảo sát 1998 - 2001 Việc xác định các thống số độ tin cậy được tiến hành theo hai phương án:
Phương án 1 Xác định độ tin cậy của các phân hệ với tư cách là các phần tử liên kết nối tiếp không phục hồi (tức là chỉ sử dụng giá trị kỳ vọng toán thời gian làm việc tới hỏng của các phân
hệ mà không xét tới cường độ phục hồi μ)
Phương án 2 Xác định độ tin cậy của các phân hệ với tư cách là các phần tử liên kết nối tiếp
có phục hồi (tức là sử dụng đồng thời giá trị kỳ vọng toán thời gian làm việc tới hỏng và kỳ vọng thời gian phục hồi của các hệ thống, hay nói khác, có xét tới cường độ phục hồi μ)
Các biểu thức xác định các thông số độ tin cậy của từng phân hệ trong hệ thống theo hai phương án được thể hiện trong bảng 1
Trong đó:
Cường độ hỏng của hệ thống - đầu máy:
∑
=
λ
=
1 i i
Cường độ phục hồi của hệ thống - đầu máy:
∑
∑
=
=
γ
λ
= μ
n 1 i i
n 1 i i
i
i
λ
=
Trang 46 Xác định xác suất giới hạn để đầu máy nằm trong mỗi trạng thái đang xét [1,4]
- (λ13 + λ15 + λ17 + λ19 + λ110)P1 + μ31P3 + μ51P5 + μ71P7 + μ91P9 + μ101P10 = 0
λ13P1 - μ31P3 = 0
λ15P1 - μ51P5 = 0
λ17P1 - μ71P7 = 0
λ19P1 - μ91P9 = 0
λ110P1 - μ101P10 = 0
(11)
Trong đó: λ13, λ15, λ17, λ19, λ110 - cường độ chuyển tiếp từ trạng thái làm việc không hỏng của đầu máy (trạng thái 1) sang trạng thái mất khả năng làm việc do hư hỏng của: hệ thống động cơ diezel (trạng thái 3), hệ thống truyền động (trạng thái 5), hệ thống bộ phận chạy (trạng thái 7), hệ thống thiết
bị phụ (trạng thái 9) và hệ thống điều khiển (trạng thái 10), [1,4]
μ 31, μ 51, μ 71, μ 91, μ101 - cường độ chuyển tiếp từ trạng thái không làm việc của đầu máy do hư hỏng của: hệ thống động cơ diezel (trạng thái 3), hệ thống truyền động (trạng thái 5), hệ thống bộ phận chạy (trạng thái 7), hệ thống thiết bị phụ (trạng thái 9) và hệ thống điều khiển (trạng thái 10) sang trạng thái làm việc của đầu máy (trạng thái 1) sau khi phục hồi các hư hỏng tương ứng, [1, 4]
3 Kết quả xác định các chỉ tiêu độ tin cậy của đầu máy D9E, D13E, D12E vμ D18E
sử dụng trong ngμnh đường sắt Việt Nam giai đoạn 1998 - 2001
Quá trình xử lý số liệu theo [2] cho thấy tất cả các đại lượng ngẫu nhiên đã nêu đều tuân theo luật phân bố mũ, do đó các thông số độ tin cậy của các phân hệ và của tổng thể hệ thống-đầu máy được xác định theo các biểu thức (1), (3), (5) - (8) trong bảng 1 và (9) - (11)
3.1 Độ tin cậy của các phân hệ trên đầu máy với tư cách lμ các phần tử liên kết nối tiếp không phục hồi của hệ thống
Khi coi các phân hệ trên đầu máy là các phần tử liên kết nối tiếp không phục hồi, tức là không xét tới cường độ phục hồi μ, hàm tin cậy của từng phân hệ và của tổng thể hệ thống-đầu máy được xác
định theo biểu thức (1) Kết quả tính toán được cho trong bảng 2
Các đồ thị hàm tin cậy P(t) của các phân hệ trên đầu máy D9E, D12E, D13E và D18E với tư cách
là các phần tử không phục hồi và của tổng thể hệ thống - đầu máy trong giai đoạn 1998 - 2001 được thể hiện trên các hình 1- 4
3.2 Độ tin cậy của các phân hệ trên đầu máy với tư cách lμ các phần tử liên kết nối tiếp có phục hồi của hệ thống
Khi coi các phân hệ trên đầu máy là các phần tử liên kết nối tiếp có phục hồi, tức là có xét tới cường độ phục hồi μ, hàm tin cậy của từng phân hệ và của tổng thể hệ thống - đầu máy được xác định theo các biểu thức (5), (7) Kết quả tính toán được cho trong bảng 2
Các đồ thị hàm tin cậy P(t) của các phân hệ trên đầu máy D9E, D12E, D13E và D18E với tư cách
là các phần tử không phục hồi và của tổng thể hệ thống-đầu máy trong giai đoạn 1998 - 2001 được thể hiện trên các hình 5 đến 8
Trang 5b¶ng 1 , 2
Trang 6h×nh 1-4
Trang 7h×nh 5-8
Trang 83.3 Xác suất giới hạn do hư hỏng của các phân hệ trên đầu máy
Khi coi các phân hệ trên đầu máy là các phần tử liên kết nối tiếp có phục hồi, tức là có xét tới cường độ phục hồi μ, xác suất giới hạn của từng phân hệ và của tổng thể hệ thống - đầu máy được xác định theo các biểu thức (9) - (11)
Kết quả tính toán xác suất giới hạn do hư hỏng của các phân hệ trên đầu máy D9E, D13E, D12E
và D18E theo từng năm và tổng hợp cho cả giai đoạn 1998-2001 được thể hiện trong bảng 3
Kết quả tính toán xác suất giới hạn do hư hỏng của các phân hệ trên đầu máy tổng hợp cho cả giai đoạn 1998-2001 được thể hiện trong bảng 4
Mức độ tin cậy của các phân hệ trên đầu máy tổng hợp cho cả giai đoạn 1998-2001 được thể hiện trong bảng 5
4 Nhận xét về các thông số độ tin cậy của các hệ thống trên đầu máy D9E, D13E, D12E vμ D18E
1 Nhìn một cách tổng quát thấy rằng, độ tin cậy tổng hợp của đầu máy D12E là cao nhất, sau đó
đến D18E, D9E và cuối cùng đầu máy D13E có độ tin cậy là thấp nhất
2 Độ tin cậy của các phân hệ hệ trên mỗi loại đầu máy là khác nhau, nhưng có một điểm chung,
đó là phân hệ bộ phận chạy của tất cả các loại đầu máy đã khảo sát có độ tin cậy vận hành là cao nhất Có thể so sánh độ tin cậy của các phân hệ trên mỗi loại đầu máy thông qua kết quả xếp thứ tự trong bảng 5 hoặc các đồ thị 1-8
3 Đối với 2 phân hệ đặc trưng của đầu máy diezel truyền động điện, thấy rằng:
a) Phân hệ truyền động điện trên đầu máy D13E và D18E có độ tin cậy tương đối cao, đứng thứ hai so với các phân hệ khác, mặt khác cao hơn so với độ tin cậy của phân hệ truyền động điện trên
đầu máy D12E và D9E Phân hệ truyền động điện của đầu máy D12E và D9E có độ tin cậy tương đối thấp, đứng thứ ba và thứ tư so với các phân hệ khác trên đầu máy
b) Phân hệ điều khiển của các loại đầu máy D13E, D12E và D18E có độ tin cậy tương đương nhau và tương đối thấp, đứng thứ 4 và thứ 5 so với các phân hệ khác trên đầu máy, trong đó độ tin cậy của phân hệ điều khiển trên đầu máy D12E và D18E là thấp nhất
Bảng 4
Kết quả tính toán các xác suất giới hạn do hư hỏng của các hệ thống trên đầu máy D9E, D13E, D12E vμ D18E tổng hợp cho cả giai đoạn 1998-2001
làm việc P 1
không làm việc do hư hỏng của:
Trang 9Bảng 5
Mức độ tin cậy của các phân hệ trên đầu máy D9E, D13E, D12E vμ D18E trong giai đoạn 1998-2001
5 Một số kết luận
1 Các chỉ tiêu độ tin cậy nêu trên là cơ sở cho việc phân tích, so sánh độ tin cậy làm việc của các phân hệ trong một loại đầu máy và giữa các loại đầu máy với nhau, và là cơ sở cho việc đánh giá mức độ ảnh hưởng của độ tin cậy vận dụng đầu máy tới chất lượng và hiệu quả vận tải đường sắt
2 Nhìn chung, mặc dù độ tin cậy tổng hợp của đầu D12E là lớn nhất, nhưng độ tin cậy của phân hệ truyền động điện và điều khiển trên đầu máy D12E lại hầu như thấp nhất so với các hệ thống khác trên đầu máy Như vậy, có thể thấy, phân hệ truyền động điện và đặc biệt là phân hệ điều khiển trên các loại đầu máy diezel TĐĐ đã khảo sát hiện là một trong những khâu xung yếu nhất, cần phải được quan tâm hơn trong quá trình sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa
3 Đây là lần đầu tiên vấn đề độ tin cậy được tiến hành khảo sát, nghiên cứu một cách có hệ thống và tương đối toàn diện đối với các loại đầu máy diezel truyền động điện công suất lớn đang sử dụng ở Việt Nam
Tài liệu tham khảo
[1] Đỗ Đức Tuấn, Nguyễn Cao Nhạc, Đỗ Việt Dũng Cơ sở đánh giá các chỉ tiêu độ tin cậy của đầu
máy với tư cách là một hệ thống kỹ thuật phức hợp Tạp chí Giao thông Vận tải Số 10/2002
[2] Đỗ Đức Tuấn Xây dựng chương trình xử lý số liệu thống kê các đại lượng ngẫu nhiên cho việc
nghiên cứu hao mòn và độ tin cậy của đầu máy diezel Đề tài NCKH T98-CK92 Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, 1999
[3] Phan Văn Khôi Cơ sở đánh giá độ tin cậy NXB KHKT, Hà Nội 1987.
[4].Шишков А Д Народнохозяйственная эффтивность повышения надёжноcти технических средств
железнодорожного транспорта Москва.”Транспорт”, 1986
[5] Пузанков A Д Надежность конструций локомотивов Москва MИИТ, 1999 Ă
