Ứng dụng mô hình markov nghiên cứu đánh giá tình trạng kỹ thuật cơ cấu phanh chính trên hệ thống phanh thủy khí

Bài báo trình bày cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình Markov dựa trên phân tích đặc điểm kết cấu của hệ thống phanh thủy khí nhằm đánh giá được tình trạng kỹ thuật của cả hệ thống và các phần tử.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MARKOV NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG KỸ THUẬT CƠ CẤU PHANH CHÍNH TRÊN HỆ THỐNG PHANH THỦY KHÍ APPLICATION OF MARKOV MODEL FOR RESEARCH AND EVALUATING TECHNICAL STATUS OF BRAKE MECHANISMS ON HYDRAULICCOMPRESSED AIR BRAKE SYSTEM HOÀNG GIANG NAM, NGUYỄN VĂN DŨNG, VŨ QUỐC BẢO, PHAN LÊ DUY, VŨ NGỌC TUẤN* Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân *Email liên hệ: tuan.vungoc@lqdtu.edu.vn Tóm tắt Hệ thống phanh dẫn động hỗn hợp thủy lực-khí nén có kết cấu phức tạp thường trang bị xe vận tải cỡ lớn Độ tin cậy, tình trạng kỹ thuật hệ thống phanh định đến tính an tồn chuyển động, tính điều khiển tơ Việc nghiên cứu đánh giá tình trạng kỹ thuật toàn hệ thống phanh cụm phần tử riêng biệt hệ thống có ý nghĩa quan trọng Bài báo trình bày sở lý thuyết xây dựng mơ hình Markov dựa phân tích đặc điểm kết cấu hệ thống phanh thủy khí nhằm đánh giá tình trạng kỹ thuật hệ thống phần tử Dựa thông số đầu vào tần suất hư hỏng thống kê từ đơn vị sử dụng, kết đầu độ tin cậy quy luật suy giảm độ tin cậy hệ thống phần tử hệ thống phanh Kết khảo sát sử dụng để tối ưu hóa việc dự trù phụ tùng, thay đổi chu kỳ tác động kỹ thuật, nhằm nâng cao hiệu công tác khai thác trang bị Từ khóa: Hệ thống phanh thủy khí, độ tin cậy, mơ hình Markov Abstract The hydraulic-compressed air brake system has a very complex structure and is often equipped on heavy trucks The reliability and technical states of the brake system have a significant influence on the vehicle's safety of movement and controllability Therefore, it is essential to study and evaluate the technical conditions of the entire brake system, each cluster and element This paper presents the theoretical basis for building a Markov model based on the analysis of structural characteristics of the hydraulic-compressed air brake system to assess the technical status of both SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) the design and its components Based on the input parameters that are the failure frequency statistics from actual units, the output results are the reliability and the reliability decline rules of both the system and the elements The survey results can help optimize spare parts management, change the technical impact cycle, and propose solutions to improve maintenance and repair work efficiency Keywords: Hydraulic-Compressed air brake system, reliability, markov model Mở đầu Có thống kê cho thấy 15% tai nạn giao thông hàng năm nước ta đối tượng xe tải xe khách liên quan đến trục trặc hệ thống phanh Những tai nạn có gây thiệt hại lớn kinh tế, thương tật cá nhân chí tử vong Điều cho thấy hệ thống phanh đóng vai trị quan trọng tính an tồn chuyển động tơ Do đó, việc nghiên cứu khảo sát độ tin cậy an toàn hệ thống phanh cần thiết Có nhiều phương pháp khác để khảo sát, đánh giá tình trạng kỹ thuật hệ thống, báo tập trung trình bày phương pháp xây dựng mơ hình Markov ứng dụng nghiên cứu xác định tình trạng kỹ thuật hệ thống phanh thủy khí xe tải hạng trung Với mơ hình dự báo độ tin cậy sở lý thuyết Markov có cung cấp sở để thiết kế, điều chỉnh tối ưu hóa số độ tin cậy Kết dự báo độ tin cậy rõ phần tử có độ tin cậy thấp, từ có điều chỉnh chu kỳ tác động kỹ thuật nằm mục đích nâng cao độ tin cậy cụm toàn hệ thống phanh [1] Mơ hình Markov dự báo độ tin cậy ứng dụng với nhiều hệ thống động lực học [2] Có số nghiên cứu hệ thống phanh thủy khí trang bị ô tô tải hạng trung, 337 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 hạng nặng tô chở khách tỷ lệ xuất lỗi hệ thống xem số tuổi thọ trung bình phần tử hệ thống biến đổi theo hàm lũy thừa [3] Đồng thời, tốc độ thay đổi trạng thái hệ thống phanh coi số khác phụ thuộc vào tần suất xuất hư hỏng khả sửa chữa phục hồi Đây điều kiện tiên để ứng dụng mơ hình Markov phân tích, đánh giá dự báo độ tin cậy cho cụm phần tử hệ thống phanh Kết khảo sát mơ hình Markov cho phép dự trù vật tư thay thế, hiệu chỉnh chu kỳ tác động kỹ thuật nhằm cải thiện hiệu cơng tác bảo dưỡng, sửa chữa [5] Phân tích cấu trúc hệ thống phanh thủy khí xe vận tải hạng trung Sơ đồ cấu trúc hệ thống phanh dẫn động thủy khí trang bị xe vận tải hạng trung thể Hình Máy nén khí trích cơng suất từ động đốt cung cấp khí nén cho bình chứa Người lái điều khiển hệ thống phanh thơng qua tổng van phanh 28 cung cấp khí nén áp suất cao qua van hệ thống đường ống đến xi lanh thủy khí 24 Pít tơng xi lanh khí nén 24 tác động đến pít tơng xi lanh thủy lực mắc nối tiếp dồn dầu thủy lực áp suất cao tới xi lanh phanh bánh xe 23 tiến hành q trình phanh Ngồi hệ thống phanh xe trang bị thêm chức hệ thống phanh dự phịng, bổ trợ Hình Sơ đồ khối chức hệ thống phanh dẫn động thủy khí xe vận tải hạng trung Đồng hồ; Van kéo; 3,9,27 Bình khí nén; Bộ điều chỉnh áp suất; Van bảo vệ ba ngả; Van ngắt phanh rơ moóc; Van bảo vệ đơn; Cảm biến áp suất; 10 Van điều khiển đỗ xe; 11 Xi lanh ngắt cung cấp nhiên liệu; 12 Xi lanh đóng nắp ống xả khí nén; 13 Van hai dòng; 14 van bảo vệ; 15 Van điều khiển phanh rơ moóc; 16,17 Đầu nối đường dẫn; 18 Đầu nối kiểu "A"; 19 Van phanh rơ mooc; 20 Bộ điều hòa lực phanh; 21 Cảm biến báo phanh; 22 Cảm biến cố phanh; 23 Xi lanh phanh bánh xe; 24 Xi lanh khí nén; 25 Van điều khiển đầu ra; 26 Lọc nước; Nếu xét cho hệ thống phanh chính, chia chúng thành phần: (i) Nguồn cung cấp lượng bao gồm máy nén khí, van hạn chế áp suất, bình khí nén; (ii) Phần điều khiển tổng van phanh hai tầng nhận tác dụng từ lực bàn đạp phanh người lái tác động, đóng mở cửa van cấp khí nén áp suất cao tới xi lanh khí nén; (iii) Phần dẫn động gồm đường ống dẫn khí nén, thủy lực, pít tơng xi lanh khí nén thủy lực, xi lanh phanh thủy lực kép bánh xe; (iv) Phần cấu phanh bao gồm má phanh tang trống tạo mô men phanh bánh xe thực trình phanh xe Các cụm ghép nối tiếp với Đây giả thiết xây dựng mơ hình khảo sát độ tin cậy hệ thống phanh dựa mơ hình Markov Độ tin cậy hệ thống tính tốn cho mơ hình cụm hệ thống có khả phục hồi mắc nối tiếp Mơ hình Markov khảo sát độ tin cậy cấu phanh hệ thống phanh thủy khí xe vận tải hạng trung Mơ hình Markov đặc biệt thích hợp để phân tích hệ thống phức hợp [6] Các nội dung tác động kỹ thuật để giảm thiểu suy giảm tình trạng kỹ thuật trình khai thác, với hệ thống phanh thủy khí có nhiều cụm phần tử cấu thành lớn Đồng thời, dựa số liệu thống kê hư hỏng phần tử hệ thống phanh sở sử dụng ô tô (bộ số liệu thống kê lấy từ liệu ghi chép nhiều năm đơn vị quản lý sử dụng xe khu vực miền núi phía Bắc), phương pháp tính tốn trung bình thống kê, cường độ hư hỏng trung bình cấu phanh xác định xe hoạt động sau 37.500km 0,0599h-1 Như giả thiết phần đầu, cường độ hư hỏng coi không đổi phần lớn hệ thống khí phức tạp, tương tự giá trị cường độ hư hỏng, thời gian trung bình hai lần hư hỏng cấu phanh bánh xe xác định qua số liệu thống kê thực nghiệm 48.735km xe chạy Theo sổ tay kỹ thuật, thời gian sửa chữa để khắc phục hư hỏng cấu phanh bánh xe trung bình 2h, cường độ sửa chữa 0,5 [7] Các trạng thái hoạt động cấu phanh thể Bảng sơ đồ Markov chuyển trạng thái đề cập thể Hình Với trạng thái giải thích cụ thể sau: - S0: Hệ thống tốt, hệ thống có xác suất làm việc không hỏng P0 = - S1: Suy giảm chất lượng phanh hư hỏng cấu phanh bên bánh xe cầu trước 28 Tổng van phanh; 29 Máy nén khí 338 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Bảng Các trạng thái Cơ cấu phanh Hệ thống Trạng Cơ cấu Cơ cấu Hệ thống thái phanh cầu phanh cầu phanh trước sau S0 Tốt Tốt Tốt S1 Hỏng Tốt Suy giảm S2 Tốt Hỏng Suy giảm S3 Hỏng Hỏng Hỏng S4 Hỏng - Hỏng S5 - Hỏng Hỏng - S2: Suy giảm chất lượng phanh hư hỏng cấu phanh bên bánh xe cầu sau - S3: Hệ thống xảy hư hỏng tất cấu phanh bánh xe cầu trước, dẫn đến hư hỏng hệ thống - S4: Hệ thống xảy hư hỏng tất cấu phanh bánh xe cầu sau, dẫn đến hư hỏng hệ thống - S5: Hệ thống xảy cố hư hỏng tất cấu phanh bánh cầu xe trước cầu sau, dẫn đến coi hư hỏng hệ thống é -(λ01 λ01 λ02 ê ê+λ02 ) ê -(λ10 ê λ13 ê λ10 +λ13 ê +λ15 ) ê λ(t) = ê -(λ20 ê λ +λ 20 24 ê ê +λ25 ) ê 0 ê ê 0 0 ê 0 êë 0 λ24 0 ù ú ú ú ú λ15 ú ú ú ú ú λ25 ú ú ú ú ú ú úû Ma trận chuyển trạng thái thiết lập phương trình (1) Hệ phương trình vi phân mơ tả hệ thống nhằm xác định xác suất hệ thống xác suất trạng thái xây dựng hệ thống phanh cấu phanh thể phương trình (2) ì s.P0 (s) - 1= - λ01 + λ02 P0 (s)+ λ10 P1(s)+ λ20 P2 (s) ï ï s.P1(s)= λ01 P0 (s) - λ10 + λ13 + λ15 P1 (s) ï ï s.P2 (s)= λ02 P0 (s) - (λ20 + λ24 + λ25 )P2 (s) í ï s.P3 (s)= λ13 P1 (s) ï s.P (s)= λ P (s) 24 ï ïỵ s.P5 (s)= λ15 P1 (s)+ λ25 P2 (s) (2) Sau thực phép biến đổi Laplace, ta nhận hệ phương trình mơ tả hệ thống theo mơ hình Markov hệ phương trình (3): ì dP0 (t) ï dt = - λ01 + λ02 P0 (t)+ λ10 P1 (t)+ λ20 P2 (t) ï ï dP1 (t) = λ P (t) - λ + λ + λ P (t) 01 10 13 15 ï dt ï ï dP2 (t) = λ P (t) - (λ + λ + λ )P (t) 02 20 24 25 ï dt í ï dP3 (t) = λ P (t) 13 ï dt ï dP (t) ï = λ24 P2 (t) ï dt ï dP (t) ï = λ15 P1 (t)+ λ25 P2 (t) ỵ dt (3) (1) Trong đó: s phép tốn biến đổi Laplace, P(i=0÷5)(s) xác suất hệ thống tương ứng với trạng thái từ S0÷S5, λj,k (h-1) tương ứng tần suất hư hỏng cường độ phục hồi chuyển tiếp trạng thái Bảng Thông số đầu vào cho tính tốn STT Cường độ hư hỏng λ01 0,0599 λ02 0,0599 0,5 0,0599 0,0599 0,5 0,0599 0,0599 Hình Sơ đồ chuyển trạng thái mơ hình Markov SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Giá trị (h-1) λ13 339 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Bộ số liệu đầu vào cho tính tốn thể Bảng theo phân tích dựa số liệu thống kê sở sử dụng xe sổ tay phục vụ cho q trình cơng nghệ bảo dưỡng sửa chữa cụm hệ thống xe Kết khảo sát bàn luận Với số liệu đầu vào giải hệ phương trình vi phân (3), ta nhận xác suất làm việc khơng hỏng tồn hệ thống Po tương ứng với trạng thái So (Hình 3) Hình Xác suất xuất làm việc khơng hỏng cấu phanh P0 theo hành trình xe chạy Kết khảo sát với số liệu đầu vào cho thấy xác suất làm việc không hỏng cấu phanh P giảm xuống ngưỡng 0,8, tương ứng với hành trình xe chạy 47.830km Giá trị hành trình gần với giá trị nêu sổ tay hướng dẫn sử dụng ô tô với ngưỡng hành trình 50.000km xe chạy thực tác động kỹ thuật với công việc thuộc mức sửa chữa vừa Trên Hình thể xác suất xuất hư hỏng trạng thái khác tương ứng từ S1…S5 Từ quy luật nhận thấy xác suất xảy hư hỏng với trạng thái S1 S2 có giá trị lớn Điều giải thích hệ thống phanh đối xứng theo chiều dọc thân xe việc xảy hư hỏng cấu phanh cầu xe (cả trước sau) ln trường hợp có khả xảy nhiều Có thể giải thích tương tự với quy luật biến đổi xác suất hư hỏng hai trạng thái S3 S4, nhiên khả xảy hư hỏng hai cấu phanh thời điểm cầu xe thấp Kết tổng hợp xác suất xảy trạng thái tương ứng với chu kỳ tác động kỹ thuật thể Bảng Từ kết phân tích trên, nhận thấy phải điều chỉnh chu kỳ tác động kỹ thuật mức sửa chữa vừa sớm so với quy định sổ tay hướng dẫn sử dụng Với quy định 50.000km, xác suất làm việc không hỏng hệ thống P0 0,796 ngưỡng cho phép 0,8 Có thể giải thích kết nêu số liệu thống kê lấy từ đơn vị sử dụng xe địa bàn miền núi phía Bắc, với đặc điểm địa hình nhiều dốc cao, nhiệt độ độ ẩm lớn gây tác động tiêu cực lớn cấu phanh nói riêng hệ thống phanh nói chung tơ Do vậy, hệ thống phanh có cường độ hoạt động cao Kết luận Hình Xác suất trạng thái xuất hư hỏng theo hành trình xe chạy Bảng Xác suất trạng thái hệ thống thời điểm thực tác động kỹ thuật theo chu kỳ Xác Bảo dưỡng suất (2000km) (10.000km) (50.000km) P0 0,9810 0,9215 0,796 P1 0,0094 0,0372 0,0745 P2 0,0094 0,0372 0,0745 P3 4,78e-05 0,00102 0,001368 P4 4,78e-05 0,00102 0,001368 P5 9,57e-05 0,00205 0,02746 340 Bảo dưỡng Sửa chữa vừa Bài báo trình bày nội dung phương pháp xây dựng mơ hình Markov nhằm đánh giá tình trạng kỹ thuật cấu phanh hệ thống phanh dẫn động thủy lực khí nén kết hợp sở phân tích cấu trúc hệ thống, sử dụng số liệu thống kê làm đầu vào Giá trị xác suất làm việc không hỏng hệ thống theo trạng thái tương ứng xác định thông qua phương pháp nêu có độ tin cậy tốt sau so sánh với ngưỡng quy định nhà sản xuất Từ nhận thấy mơ hình Markov xây dựng có tính khả dụng cao nghiên cứu xác định độ tin cậy tình trạng kỹ thuật cụm hệ thống phức tạp Đối với đối tượng lựa chọn nghiên cứu ô tô vận tải hạng trung hoạt động SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 địa bàn miền núi phía Bắc, đề xuất giảm thời gian chu kỳ tác động kỹ thuật với mức sửa chữa vừa xuống 47.000km xe chạy để đảm bảo trì ngưỡng xác suất làm việc khơng hỏng tồn hệ thống lớn 0,8 Tuy nhiên, báo xây dựng mơ hình Markov với trạng thái đặc trưng phần nhiều tập trung vào hư hỏng cấu phanh Hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển mơ hình nêu cho cụm khác toàn hệ thống van điều khiển, van bảo vệ, xi lanh thủy khí TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ZENG Sheng-kui， ZHAO Yan-di， ZHANG Jiang-guo, KANG Rui, SHI Jun-you． Analysis tutorial of system reliability design． BEI Jing： Beihang University Press 2001 [2] HONG Qiang LIANG Liang Reliability analysis of automotive brake systems based on dynamic fault tree Electronic Product Reliability and Environmental Testing, s1:206-212, 2009 [3] Celentano Giovanni, Iervolino Raffaele, Fontana Vincenzo, Porreca Stefano Evaluation of the quality of a car braking system by a Dynamic Simulator Quality and Reliability Engineering International, Vol.20(2):pp.155-166, 2004 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) [4] YANG Chung-Ming, YANG Su-Fen Adaptive control scheme for a process with incorrect adjustment 2009 1st Asian Conference on Intelligent Information and Database Systems, ACIIDS [C] Piscataway, NJ, USA, 2009 [5] Dominguez-Garcia, Alejandro D, Kassakian, John G, Schindall Joel E Reliability evaluation of the power supply of an electrical power net for safetyrelevant applications Reliability Engineering and System Safety, Vol.91(5): pp.505-514, 2006 [6] Andrea Bobbio, Aldo Cumani A Markov approach to wear-out modelling Microelectronics Reliability, Vol 1(23): pp.113-119, 1983 [7] YU Quan-yu, ZHU Cheng, WANG Zi-weng， The fault tree number simulation on automobile braking function in losed Advanced Materials Research[C], Lijiang, China, 2011 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 29/6/2021 09/8/2021 16/8/2021 341 ... dựng mơ hình Markov nhằm đánh giá tình trạng kỹ thuật cấu phanh hệ thống phanh dẫn động thủy lực khí nén kết hợp sở phân tích cấu trúc hệ thống, sử dụng số liệu thống kê làm đầu vào Giá trị xác... SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Bảng Các trạng thái Cơ cấu phanh Hệ thống Trạng Cơ cấu Cơ cấu Hệ thống thái phanh cầu phanh cầu phanh trước sau S0 Tốt Tốt Tốt S1 Hỏng... hình khảo sát độ tin cậy hệ thống phanh dựa mơ hình Markov Độ tin cậy hệ thống tính tốn cho mơ hình cụm hệ thống có khả phục hồi mắc nối tiếp Mơ hình Markov khảo sát độ tin cậy cấu phanh hệ thống