Надежность напольных устройств и аппаратуры СЖАТ

Размещено на http://www.allbest.ru/

90

1. Надежность напольных устройств и аппаратуры сжат

1.1 Cбор и обработки информации о надежности

Информация об отказах устройств на сети дорог является своеобразной обратной связью в системе анализа надежности, чем обеспечивается возможность определения показателей надежности эксплуатируемых СЖАТ и их элементов, а также возможность использования этих данных: для контроля качества продукции заводов, НИИ, проектных институтов и работы строительно-монтажных организаций; для разработки мер по повышению надежности эксплуатируемых устройств и по совершенствованию методов их технического обслуживания (ТО); для задания надежности новых систем. Поэтому организация сбора и обработки данных о надежности имеет чрезвычайно большое значение.

Информация об отказах должна быть достоверной, полной и своевременной. Своевременность поступления этой информации к диспетчерам дистанций и в вышестоящие инстанции обеспечивается в последние годы за счет использования АРМ диспетчера. Достоверность и полнота рассматриваемой информации часто оказываются ниже требуемых.

Достоверность данных определяется объективностью и правильностью фиксации количества отказов, их характера и условий возникновения. Выборочность фиксации отказов обслуживающим персоналом объясняется тем, что качество их работы прямо или косвенно оценивают по количеству отказов.

Достоверность зафиксированных количества отказов и времени восстановления возрастает при внедрении центров управления перевозками, когда автоматическое отображение и запоминание исполненного графика движения поездов позволяют фиксировать отказы, вызвавшие сбои в движении.

Полнота информации об отказе должна обеспечивать возможность выявления причин его возникновения. Последнее как раз и является основной целью сбора статистики по надежности. Однако определение причины отказа требует необходимой квалификации как обслуживающего персонала, так и специалистов, анализирующих данные об отказах. Задача выявления причины отказа является неформальной и достаточно сложной.

В хозяйстве сигнализации и связи принят многоступенчатый способ учета информации об отказах [43]. Основные данные исходят от работника, устраняющего отказ. Старший электромеханик проверяет правильность фиксации данных и уточняет причины отказа. Отказ регистрируется диспетчером дистанции в журнале формы ШУ-78. В группе надежности дистанции эти сведения анализируют, оставляют для учета и посылают в группу надежности дорожной лаборатории.

Статистические данные по сети железных дорог страны фиксируются, систематизируются и анализируются в технологическом отделе при Центральной станции связи МПС (ЦСС МПС). Приведенные в данной главе численные значения параметров потока отказов элементов и устройств ЖАТ найдены, в основном, этим отделом. Статистика отказов дистанций и дорог исследуется также научными сотрудниками вузов и НИИ. Наиболее полные табличные данные результатов этих анализа и исследований приведены в [39].

1.2 Статистические данные об отказах

На долю службы сигнализации, централизации и блокировки приходится около одной пятой всех отказов, влияющих на движение поездов, что видно из табл. 1.1, построенной по средним для сети железных дорог страны данным за 1986-90 годы [6].



Таблица 1.1 - Распределение отказов, влияющих на движение поездов

Службы и системы	Число отказов, %
Службы: пути сигнализации, централизации и блокировки электрификации и электроснабжения перевозок другие	66,1 19,5 5,3 1,5 7,6
Системы: электрическая централизация автоблокировка полуавтоматическая блокировка другие	58,0 28,0 10,0 4,0

Нормативные показатели безотказности СЖАТ, разработанные ВНИИЖТом по результатам исследований статистики отказов на ряде железных дорог, приведены в табл. 3.2. Фактические параметры потока отказов могут превышать в 1,5-2 раза эти нормативы.

Вероятность безотказной работы за один час электрической централизации на станции с сотней централизованных стрелок имеет величину порядка 0,992. В области вероятностей выше 0,90 поведение «хвостов» различных законов плотностей вероятности теряет свою индивидуальность, и все они могут дать с достаточной для практики точностью одинаковый результат. Этим объясняется возможность использования простого однопараметрического экспоненциального закона при анализе и расчетах показателей надежности СЖАТ. Однако в задачах прогнозирования поведения таких систем при повышении ресурса или в задачах оценки мероприятий по повышению надежности в пределах, выходящих за значение принятого ресурса, необходим выбор других законов распределения с учетом физики процессов старения, изнашивания и разрегулирования.



Таблица 1.2 - Показатели безотказности СЖАТ

Система	Нормируемый показатель	Параметр потока отказов 10-6 ч-1	Вероятность безотказной работы за один месяц
Автоблокировка: однопутная двухпутная	На одну сигнальную точку	80 60	0,943 0,957
Электрическая централизация	На одну стрелку	80	0,943
Маршрутно-контрольные устройства без рельсовых цепей	На одну стрелку	40	0,971
Линия связи диспетчерской централизации: воздушная кабельная	На один километр	8 3,5	0,994 0,997
Релейная полуавтоматическая блокировка	На один километр	20	0,985

Таблица 1.3 - Показатели безотказности устройств ЖАТ

	Число отказов, %
Устройства	ЭЦ	АБ	ПАБ
Рельсовые цепи Электроприводы Релейная и бесконтактная аппаратура Элементы защиты Кабельные линии Релейные шкафы, стативы Сигналы Трансформаторы, преобразователи, электрические машины Пульты, табло, аппараты управления Аккумуляторы и первичные элементы Щитовые электропитающие установки Воздушные линии Неустановленные объекты	26,87 20,41 10,52 8,87 7,92 7,16 5,57 4,81 2,55 2,24 1,22 0,22 1,63	14,61 - 25,24 6,33 10,13 12,43 6,39 7,19 0,66 4,68 0,38 8,52 3,42	9,52 3,13 8,29 6,85 10,03 6,73 5,42 5,71 11,84 8,59 0,34 21,74 1,31



Распределение отказов по основным устройствам систем электрической централизации (ЭЦ), автоблокировки (АБ) и полуавтоматической блокировки (ПАБ) приведено в табл. 1.3 [43].

Следует иметь в виду, что отличия от приведенных в табл. 1.2 и 1.3 данных по разным дорогам и по разным участкам одной дороги могут быть существенными. На долю рельсовых цепей, например, может приходиться до 40% и более от общего числа отказов устройств ЖАТ, а отказы между службой пути и службой сигнализации, централизации и блокировки могут распределяться примерно одинаково. На распределение числа отказов между видами систем ЖАТ (табл. 3.2) сильно влияет степень изношенности эксплуатируемых систем и качество их технической эксплуатации.

1.3 Причины отказов элементов СЖАТ

Причина отказа - это явления, процессы, события и состояния, обусловившие возникновение отказа объекта. Исследование причин отказа требует привлечения физической теории надежности и ряда инженерных дисциплин.

К явлениям, вызывающим отказы устройств ЖАТ, относятся пластическая деформация, разупрочнение поверхностей и т.п. К процессам могут быть отнесены изнашивание, рост трещин, коррозия, эрозия, старение материалов и т.п. Отказы могут появляться как результат, например, следующих событий: появление перегрузок, изменение напряжения в сети, попадание абразива в масло, нарушение установленных режимов и правил эксплуатации и т.д. Состояниями изделий, приводящими к отказам, могут быть макро- и микротрещины, дефекты сборок и пр.

Отказы разделяют на конструкционные, производственные и эксплуатационные. Кроме того, в СЖАТ выделяют в отдельные группы отказы от воздействия грозовых и коммутационных перенапряжений, а также от воздействий посторонними лицами и организациями.

К конструкционным относятся отказы, возникающие в результате несовершенства или нарушения установленных правил и (или) норм конструирования объекта (недостаточная защищенность от воздействий внешней среды, неправильный выбор материалов и смазок и пр.). Сюда же относят в СЖАТ недоработки типовых проектов и проектные ошибки. На этот вид отказов в СЖАТ приходится порядка 1,2% от общего количества отказов, из них около половины приходится на проектные ошибки.

К производственным относятся отказы, возникшие в результате несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления, строительства, монтажа объекта. Они занимают более 8% в общем количестве отказов СЖАТ.

К наиболее типичным дефектам технологии можно отнести: дефекты из-за неправильного состава материала (повышенная пластичность, недостаточная электропроводность); ошибки при механической обработке (задиры, заусенцы, трещины, прорезы); дефекты сварки (трещины, остаточные напряжения, недостаточная глубина шва, термические повреждения отдельных участков основного материала и т.п.); дефекты при обработке поверхностей (химическая диффузия, ухудшение механических свойств материала и т.п.); дефекты сборки (повреждения поверхностей или изоляции, задиры, внесение абразива, несоответствие размера деталей и т.п.); дефекты монтажа (плохое качество пайки, слишком большое натяжение или надкусывание монтажных проводов и т.п.); дефекты строительства (нарушение правил прокладки или изоляции напольных кабелей и др.).

К эксплуатационным относятся отказы, возникающие в результате нарушения установленных правил или условий эксплуатации объекта: неправильное, несвоевременное или некачественное техническое обслуживание; низкое качество проверки или ремонта в контрольно-измерительных пунктах (КИП), ремонтно-технологичес-ких участках (РТУ), мастерских и т.п. На эксплуатационные отказы приходится до 86% отказов СЖАТ.

В официальной статистике выделяют следующие причины эксплуатационных отказов: некачественное выполнение работ (42-44% от эксплуатационных отказов СЖАТ), невыполнение сроков проверки (12-15%), нарушение правил производства работ (4,0-5,5%), некачественная проверка в РТУ (9% и больше), другие причины (16-22%), причина не установлена (9-12%).

Отказы от воздействия грозовых и коммутационных перенапряжений происходят, главным образом, вследствие несовершенства способов и устройств защиты от них. На эти отказы приходится 2,5-3,2% от общего количества отказов СЖАТ.

От воздействия посторонними лицами и организациями происходит 1,3-1,7% отказов. Сюда входят, например, обрывы кабелей при выполнении работ сторонними организациями без согласования с работниками службы СЦБ или службы связи, хищения изделий из цветных металлов, вандализм и т.п.

При исследовании причин отказов должен проводиться анализ режимов и условий эксплуатации, а также действующих нагрузок. Нагрузки, влияющие на надежность объекта, могут определяться внешними факторами или функционированием самого объекта. К внешним для устройств ЖАТ относятся: климатические, механические, электромагнитные, радиационные, биологические воздействия, влияние технического обслуживания (ТО) и ремонта. При функционировании изделия возникают нагрузки, обусловленные нагревом отдельных элементов или части их поверхности, деформациями, неравномерностью износа и другими факторами.

Анализ причин отказов проводится с целью обоснованной разработки мероприятий по их предотвращению как в серийно изготавливаемых и эксплуатируемых изделиях, так и во вновь разрабатываемых устройствах и системах с конструктивно-технологичес-ким и схемным подобием. Выявление причин отказа в соответствии с РД 50-514-84 «Надежность в технике. Порядок проведения анализа причин отказов изделий» рекомендуется производить в следующем порядке: установление факта отказа, внешних проявлений отказа, вида отказа, технической сущности отказа и причин отказа.

Факт отказа определяют на основании критериев отказа, установленных нормативно-технической документацией.

Внешнее проявление отказа устанавливается органолептическими методами без использования диагностических средств. К ним относятся, например, шум в редукторе, запах гари при работе электродвигателя или появление дыма, несоответствие показаний светофора фактическому состоянию блок-участков или стрелочных секций и т.п.

Вид отказа устанавливают после проведения диагностических процедур. К видам отказов относятся, например: износ зубьев шестерен, разрушение подшипника, завышенное сопротивление токопроводящего стыка в рельсовой линии и т.п.

Техническая сущность характеризует физико-технические факторы, приводящие к данному виду отказа. Например, технической сущностью такого вида отказа, как предельный износ зубьев шестерен, является перекос шестерен, отсутствие приработки, попадание постороннего предмета в зацепление и др.; для повышенного сопротивления токопроводящего стыка - увеличение переходного сопротивления между тросом и манжетой или переходного сопротивления между стыковым соединителем и рельсом.

Определение причины отказа приведено в начале данного параграфа. Причиной отказа, например, приварного стыкового соединителя может быть низкое качество его изготовления или приварки; несвоевременная замена соединителей, выработавших свой ресурс.

Развитие методов исследования надежности шло от статистических методов к физическим, от исследования интенсивности отказов к исследованию механизмов отказов изделий, т.е. физико-химических процессов, ведущих к отказу изделий (деградационных процессов). Изменение во времени физического состояния изделия, обусловленное необратимыми физико-химическими процессами, является наиболее общей причиной возникновения отказов. Знание того, почему то или иное изделие надежно или ненадежно, своевременная разработка и реализация необходимых мер по увеличению его надежности куда важнее, чем знание действительного уровня характеристик его надежности. Поэтому проводятся исследования физики механизмов отказов объектов и разрабатываются методы внесения коррекции в изделия и методы контроля действенности вносимых изменений и усовершенствований (физическая надежность).

В настоящее время существуют два взаимно дополняющих друг друга направления физики надежности: количественное (физическое моделирование и причинное прогнозирование надежности) и качественное (физико-химический анализ отказавших изделий с помощью современных экспериментальных методов). Физико-хими-ческие процессы, приводящие к отказам, классифицируют в зависимости от вида материала; места протекания процесса; вида энергии, определяющего характер процесса; вида эксплуатационного воздействия; характера (внутреннего механизма) процесса.

Материалы большинства изделий ЖАТ представляют собой кристаллические твердые тела: металлы, ионные кристаллы (большинство диэлектриков), ковалентные кристаллы (полупроводники). В СЖАТ используются также органические и неорганические полимеры: аморфные, в которых полимерные цепи ориентированы хаотически; кристаллические, состоящие из кристаллов, т.е. участков с упорядоченным расположением цепей макромолекул; эластомеры, занимающие промежуточное положение между аморфными и кристаллическими полимерами.

Во всех деталях из кристаллических твердых материалов имеются элементарные дефекты кристаллической структуры, которые могут являться причиной отказа. Образование дефектов и их перемещение в твердом теле под воздействием тепла и различных внешних факторов может привести к деформации элементов и их разрушению. Дефекты приводят и к изменению электрофизических свойств материалов.

Наиболее типичны точечные дефекты (вакансии, межузельные атомы и др.); одномерные (линейные) дефекты (дислокации); двумерные поверхностные дефекты (границы зерен, двойников и др.); трехмерные (объемные) дефекты (пустоты, включения и др.).

Из молекулярно-кинетических процессов в материалах для физической теории надежности наиболее интересны диффузия и сорбционные процессы.

Диффузией называют процесс необратимого переноса атомов вещества в объеме твердых тел и на их поверхности. Диффузия в значительной степени определяет возникновение разрушения материалов, ползучести, старения, коррозии и т.п.

Сорбционные процессы включают процессы адсорбции и абсорбции. Процесс адсорбции связан с явлением поверхностного поглощения вещества, а процесс абсорбции - с явлением объемного поглощения. Адсорбция газов или жидкостей из внешней среды приводит к ухудшению диэлектрических свойств изоляционных материалов, к ухудшению прочности материалов и других свойств. Сорбционные процессы могут ускорять процессы износа, коррозии и других видов разрушения.

Наиболее типичными видами разрушения для оборудования, машин и приборов являются механические разрушения, износ и коррозия. Эти виды разрушения охватывают 80-95 % всех видов разрушения механических элементов [13]. Наиболее частые разрушения твердых диэлектриков и полупроводников вызывает электрический пробой материалов.

Скорость процессов механического разрушения деталей зависит от структуры и свойств материала, геометрической формы и состояния поверхности, от напряжений, вызываемых нагрузкой и температурой. У металлов разрушения определяются в основном разрывом межатомных связей за счет тепловых флуктуаций и направленной диффузией вакансий к трещинам. Разрушение нагруженных полимерных материалов обусловлено процессом разрыва внутримолекулярных химических связей в результате тепловых флуктуаций, активизированных механическими напряжениями.

Из-за изнашивания поверхностей в процессе эксплуатации различных машин происходит до 50-80 % отказов от общего числа [37]. Изнашивание делят на механическое (абразивное, гидроабразивное, эрозионное, гидроэрозионное, газоэрозионное, усталостное), изнашивание при фреттинге, изнашивание при заедании, коррозийно-механическое (окислительное), изнашивание при фреттинг-коррозии или электроэрозионное.

Механическое изнашивание в разрывных и скользящих контактах устройств ЖАТ проявляется при трении и ударах и носит сложный адгезионно-усталостный характер. Механизм такого комплексного разрушения складывается так же, как и в обычных парах трения, но с интенсификацией его действием электрического тока, высоких температур в зонах контакта и особенностями, связанными с применением композиционных контактов (например, графитосеребряных); наличием абразивных частиц и окисных пленок в зоне трения.

Коррозия - разрушение металла вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой (агрессивная атмосфера, растворы кислот, щелочей, солей и т.п.). Коррозия может являться не только процессом, приводящим к отказам, но она может ускорять процессы изнашивания, усталостного разрушения; снижать прочностные и деформационные свойства материалов. В устройствах ЖАТ наиболее характерны следующие виды коррозии: атмосферная коррозия; электрохимическая коррозия под воздействием тока от внешнего источника или блуждающего тока; электрохимическая контактная коррозия металлов, имеющих разные стационарные потенциалы в данном электролите; коррозия трения; фреттинг-коррозия, возникающая при колебательном перемещении двух поверхностей относительно друг друга и воздействии коррозионной среды.

Эрозия - постепенное разрушение поверхности металлических изделий под действием механических нагрузок, электрических разрядов и т.п. Скорость электроэрозионого изнашивания в устройствах ЖАТ определяется плотностью и направлением движения тока, величиной контактного электрического сопротивления, скоростью перемещения контактов, механической нагрузкой между ними, температурами контактных поверхностей, теплообменом, загрязнением окружающей среды, материалами сопряженных деталей и т.п.

При электрокоррозии разрушительное действие оказывают в основном два фактора: электрическая эрозия и механическое изнашивание. Электроэрозионное изнашивание может наблюдаться в электрических контактах реле, переключателей, потенциометров, реостатов, соединителей, пусковых реле, прерывателей, электродвигателей; штепсельных, паяных и зажимных соединений.

Электрическое изнашивание поверхностей контактов происходит вследствие переноса ионов материала одного элемента контактной системы на другой; фреттинг-электрического пробоя; появления окисных пленок, приводящих к увеличению сил молекулярных связей между чистыми металлами и последующему микросхватыванию с глубинным вырыванием; искрения и дугообразования, приводящих к выделению большой тепловой энергии в зазоре между контактами, испарению или разбрызгиванию металла в контактный зазор, отчего ухудшается качество поверхности и инициируется механическое изнашивание.

Контактная коррозия более нежелательна, чем атмосферная. Особенно сильной контактной коррозии подвержены соединения металлов с существенно различными контактными потенциалами (например, алюминий с потенциалом -1,3 и медь с потенциалом +0,34). В процессе контактной коррозии разрушается материал с более отрицательным потенциалом.

При старении в условиях длительного хранения или эксплуатации происходит медленное изменение физико-химических свойств материалов обычно в худшую сторону под действием внутренних и внешних сил. Например, детали из стали, латуни и бронзы уменьшают свои прочность и упругие свойства, их поверхность покрывается окислами и становится неровной [37].

Изоляционные материалы (особенно органического происхождения) со временем резко изменяют свои механические и электрические свойства: становятся хрупкими; их поверхность делается шероховатой, и на ней легко образуется водяная пленка; увеличиваются электрические потери и падает электрическая прочность. Причины старения изоляционных материалов очень многообразны. Часто ими являются процессы окисления, интенсивность которых растет при повышенной температуре и ультрафиолетовом излучении. В результате окисления происходит дробление молекул материалов, ухудшаются их электроизоляционные свойства, растут жесткость и хрупкость материалов. При старении керамических материалов увеличиваются их диэлектрические потери, уменьшаются сопротивление изоляции и электрическая прочность.

Механические нагрузки вызывают явление усталости материала, проявляющиеся часто в снижении его прочности или упругости. При знакопеременных механических нагрузках старение происходит быстрее. Пружины реле, переключателей и других коммутационных элементов, систематически подвергаясь изгибам, с течением времени теряют свои упругие свойства, уменьшаются их давление на контакты и надежность работы. Элементы устройств, находящихся в напряженном состоянии, с течением времени могут изменять свою форму, а иногда и разрушаются. Винтовые и заклепочные соединения расслабляются.

У всех смазок с течением времени увеличивается вязкость, а под действием окружающей среды (главным образом кислорода) изменяются их физические свойства.

Процессы старения и износа являются неизбежными. Их нельзя полностью предотвратить, можно только в некоторой степени уменьшить вызываемые ими последствия.

1.4 Внешние факторы, влияющие на надежность СЖАТ

Рассмотрим влияние на надежность устройств СЖАТ климатических, механических, радиационных факторов и воздействия обслуживающего персонала. Эти факторы наиболее существенны для рассматриваемых устройств.

Основными климатическими факторами окружающей среды являются: солнечная радиация, температура и относительная влажность воздушной среды, ее плотность, движение, наличие в ней твердых и газообразных примесей; снег, дождь, туман, иней, роса.

Солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, является одним из основных климатических факторов. В спектре излучаемой солнцем энергии около 9% приходится на ультрафиолетовую часть, около 50% - на видимую часть спектра и около 41% - на инфракрасные волны.

Для характеристики условий эксплуатация изделий определены три уровня концентрации пыли: 0,18; 1,0 и 2,0 г/м3. Из газообразных примесей в воздухе наиболее опасными являются сернистый газ и хлористые соли. В воздухе содержатся также различные бактерии, грибковые споры. Плесневые грибки, попадая в аппаратуру, способны разлагать высокомолекулярные соединения как естественного, так и искусственного происхождения.

Влияние изменения температуры. Повышение температуры вызывает ускорение химических реакций. Под влиянием периодических тепловых воздействий происходят деформации элементов конструкции, обусловленные механическими повреждениями.

Параметры полупроводниковых приборов заметно изменяются даже при сравнительно небольших положительных температурах (выше 40-500 С). Эта зависимость меньше у кремниевых полупроводниковых приборов.

Изоляционным материалам с большой диэлектрической проницаемостью также присуща тесная зависимость от температуры их параметров. Удельное объемное сопротивление полярных пластмасс с повышением температуры резко уменьшается. Диэлектрические потери и проницаемость с повышением температуры, как правило, увеличиваются. Под действием тепла механическая прочность изоляции уменьшается; электрическая прочность вначале увеличивается вследствие удаления из материала влаги, а затем уменьшается до ее первоначального значения, и в итоге изоляция разрушается.

Электрическая прочность пластмасс пропорциональна их сопротивлению в степени от 0,34 до 0,14. При низких температурах у слоистых и волокнистых фенопластов сильно снижается прочность на удар.

У многих органических изоляционных материалов, применяющихся для пропитки, заливки и обволакивания, действие тепла ускоряет медленно протекающие химические процессы, называемые тепловым старением. Это старение ускоряется при воздействии электрического поля, механических нагрузок и т.п. Большие перепады температур вызывают растрескивание таких материалов. Они отходят от подложки, отрываются от стенок корпусов, в результате чего создаются зазоры, в которые проникает влага, вызывающая разрушение конструкции. Такие разрушения становятся частыми при расширении в объеме примерно на 10 % в трещинах, порах, зазорах замерзающей воды.

Изменения температуры вызывают линейные изменения размеров деталей. Линейные расширения материалов ухудшают работу, например, зубчатых соединений, нередко приводят к разрушению паяных швов. Тонкие монтажные провода с большим предварительным натягом при пониженной температуре обрываются обычно в местах их соединений с жесткими (неподвижными) выводами. Защитить полностью аппаратуру и устройства от перегрева или охлаждения не удается, поэтому выбор материала и конструкции должен производиться с учётом всех последствий влияния изменения температуры.

Влияние влажности. Под действием влаги у металлических поверхностей меняется цвет, степень шероховатости, электропроводность, поверхностная прочность и т.п. Действие влаги на металлические детали устройств ЖАТ ухудшает выполнение возложенных на них функций: крепежные соединения ослабевают, винтовые детали после корродирования трудно разъединяются, поверхности голых проводов проволочных резисторов могут уменьшать свою проводимость на 20-30%. Латунные детали в местах больших механических напряжений (в местах изгибов с малыми радиусами и в местах вытяжки) под действием повышенной влажности ломаются. Сварные соединения, если они недостаточно защищены от действия влаги, корродируют и расширяются в местах сварки металлов.

Вредное действие оказывает влага в виде конденсата на поверхностях деталей СЖАТ, образовывающегося при быстром изменении температуры.

Образование непроводящих пленок на контактных поверхностях в значительной степени зависит от влажности окружающей среды. Вода, являясь хорошим растворителем, способствует активизации газов и твердых частиц, попадающих на твердые поверхности. При непродолжительном действии влаги (50-100 ч) на контактные поверхности переключатели и реле могут полностью выйти из строя. Использование благородных металлов и их сплавов не гарантирует отсутствие отказов в работе упомянутых изделий в условиях повышенной влажности.

Воздействие влаги на неметаллические материалы узлов СЖАТ вызывает более существенное изменение их выходных параметров. Малые размеры и большая подвижность молекул воды способствует проникновению ее в толщу неметаллических материалов. Особенно сильно насыщаются водой пористые и слоистые неметаллические материалы, материалы с неорганическими наполнителями, а также материалы с большими расстояниями между молекулами: текстолит, гетинакс, стеклотекстолит, детали из полистирола, полиэтилена, из пресспорошков с наполнителями. В меньшей степени влага влияет на параметры керамических материалов и на некоторые неполярные органические материалы (например, фторопласт).

Вода обладает в чистом виде большой диэлектрической проницаемостью (=81), поэтому даже при относительно малом объеме в материале она может вызвать изменение его диэлектрической проницаемости в несколько раз. В результате может, например, изменяться частота колебательных контуров и уменьшаться их добротность, что в свою очередь может повлечь за собой расширение полосы частот (например, фильтров), ухудшение стабильности работы генераторов или уменьшение выходного напряжения элементов с частотно зависимыми характеристиками.

Проектирование и эксплуатация СЖАТ должна сопровождаться поиском наилучших путей и средств защиты аппаратуры и устройств от влияния климатических воздействий. Средствами такой защиты являются:

герметизация аппаратуры и ее отдельных элементов;

размещение аппаратуры в специально оборудованных помещениях;

обогрев аппаратуры в релейных шкафах и путевых коробках, подогрев контактов автопереключателей в стрелочных электроприводах;

применение материалов, смазок, лаков, антикоррозионных покрытий и других средств защиты, соответствующих конкретным условиям работы аппаратуры и устройств;

постоянное соблюдение при эксплуатации СЖАТ предписанных требований по защите от климатических воздействий.

Механические воздействия на устройства ЖАТ могут происходить как в процессе эксплуатации, так и при транспортировке. Различают два вида механических воздействий: удары и вибрации.

Удар возникает в тех случаях, когда устройства ЖАТ претерпевают быстрое изменение ускорения. От ударов могут происходить разрушения слабых элементов конструкций или элементов, находящихся под механическим напряжением. Например, выводы кабелей жгутов, резисторов, конденсаторов, полупроводниковых приборов, если они сильно натянуты в процессе монтажа, при воздействии удара обрываются. Часть конструкций с большими сосредоточенными массами (например, силовые трансформаторы и дроссели) в результате ударов смещаются со своих фиксированных мест. Удары, создающие большие срезающие напряжения, очень опасны для сварных и клепаных соединений.

Действие ударов в условиях пониженной температуры вызывает значительно больше повреждений конструкций, чем в нормальных условиях, из-за повышенной хрупкости многих изоляционных материалов, а также возникающих при охлаждении напряжений в отдельных частях конструкции.

Вибрации представляют собой периодические колебания (чаще сложные), которым подвергаются устройства ЖАТ. Вызывают они обычно те же последствия, что и удары. Опасность их состоит в том, что длительное действие вибрации приводит к разрушению элементов конструкций за счет явлений усталости, которая при знакопеременных нагрузках проявляется в большей степени, чем при статических нагрузках.

При длительном действии вибрации разбалтываются винтовые и расшатываются заклепочные соединения, а сварные просто разрушаются. Монтажные провода, жгуты и кабели при вибрациях могут обрываться, особенно если отдельные негибкие провода натянуты или попадают в механический резонанс. Очень низкие частоты вибрации (несколько Герц) могут приводить к отрыву трансформаторов, блоков, электрических конденсаторов и т.п.

Воздействие проникающей радиации. Движение заряженных частиц большой энергии в веществах приводит к потере энергии, затрачиваемой ими почти полностью на возбуждение связанных электронов. Энергия возбужденного электрона может быть любой, если электрон оказывается вне атома, или приобретает определенные (дискретные) значения, если электрон не отрывается от атома, а переходит в возбужденное состояние.

Наиболее устойчивы к воздействию облучения металлы. У большинства металлов при облучении предел текучести уменьшается в 2-3 раза, возрастает на 20-30% удельное электрическое сопротивление, снижается ударная вязкость. У электротехнической стали и магнитных материалов заметно изменяется также магнитная проницаемость, а некоторые металлы (бор, марганец, кобальт, цинк и др.) после облучения нейтронами сами становятся радиоактивными.

Облучение резисторов приводит к увеличению уровня шумов, ухудшению влагостойкости. У конденсаторов после облучения изменяются электрическая прочность, емкость и тангенс диэлектрических потерь. У электролитических конденсаторов даже низкие дозы облучения могут вызвать разложение электролита и разгерметизацию.

Наименее радиационностойки полупроводниковые приборы и интегральные схемы. Диоды после облучения теряют свои выпрямительные свойства из-за постепенного увеличения удельного сопротивления исходного материала. Транзисторы всех типов при облучении теряют усилительные свойства, у них резко возрастают токи утечки, снижается пробивное напряжение.

Интегральные схемы при облучении изменяют свои параметры вследствие изменения параметров резисторов, конденсаторов, диодов и транзисторов, входящих в их структуру. Резко возрастают токи утечки, появляется множество паразитных связей между элементами, что в конечном итоге приводит к нарушению нормальной работы интегральной схемы.

Защищать аппаратуру от ионизированных излучений можно различными видами экранирования и специальными схемотехническими мерами по защите основных узлов от перегрузок, возникающих в них под действием ионизационных потоков.

Влияние человеческого фактора. Все этапы жизненного цикла СЖАТ, включающего в себя формирование технических требований к системе, её разработку, проектирование, изготовление, строительно-монтажные работы и эксплуатацию, в той или иной степени связаны с воздействием человека.

Принятая на этапе разработки концепция обеспечения требуемого уровня надежности и безопасности определяет структуру системы и “цену” обеспечения надежности. Некоторые ошибки разработки или типового проекта могут проявиться после достаточно длительной эксплуатации системы. Ошибки персонала, обслуживающего СЖАТ, могут приводить к весьма тяжелым последствиям.

В целом человек как звено эргатической системы, т.е. системы, функционирующей с участием человека, характеризуется быстродействием, надежностью и напряженностью деятельности. Количественные значения этих параметров зависят от сложности решаемых задач, загруженности и взаимосвязанной с ними утомляемости. Загруженность определяется как доля времени, потребного для решения задачи, в общем располагаемом времени на ее решение и является мерой дефицита времени. Оптимальная загруженность оператора в зависимости от вида деятельности колеблется в пределах 0,1 - 0,5.

Достоинства человека как элемента эргатических систем - адаптируемость, обучаемость, избирательность, самонастраиваемость, самоконтролируемость, способность к работе в конфликтных ситуациях. Его недостатки - стохастическая изменяемость психофизиологичеких свойств, ошибочность в выполнении операций, утомляемость, возможность потери работоспособности в стрессовых ситуациях, зависимость психофизиологических параметров от возраста, состояния окружающей среды и т.д.

Основными причинами рассматриваемых ошибок является то, что сложность разрабатываемых СЖАТ вступает в противоречие с возможностями человека как разработчика, отсюда ошибки разработки и эксплуатации; ограниченные возможности человека не всегда согласовываются с техническим потенциалом разработанных систем в части нагрузки оперативного персонала и реализации интерфейса оператор-система; повышение уровня автоматизации систем приводит к ослаблению профессиональных навыков оперативного и технического персонала.

Таким образом, снижение влияния человеческого фактора на надежность СЖАТ является весьма действенной мерой для повышения качества их функционирования.

1.5 Безотказность напольных устройств

К напольным устройствам относят рельсовые цепи, электроприводы и светофоры.

Рельсовые цепи являются наименее надежными устройствами СЖАТ (табл. 1.3), что объясняется тяжелыми условиями их эксплуатации вследствие действия постоянных динамических нагрузок от движения поездов, колебаний температуры и влажности окружающей среды, засорения балласта токопроводящими материалами. Запасы механической прочности соединительных и изоляционных элементов, применяемых в рельсовых цепях, невелики. Профилактические и ремонтные работы в них выполняются работниками служб сигнализации и связи, пути, электроснабжения, что усложняет работы по предотвращению, выявлению и устранению отказов.

Параметр потока отказов рельсовых цепей для АБ на ряде участков железных дорог достигает 4010-6 ч-1, для ЭЦ - 5510-6 ч-1 [39]. Наиболее характерными отказами рельсовых цепей являются ухудшение или нарушение изоляции в стыке, стяжной полосе, серьге, гарнитуре, в распорке крестовины (25%); обрыв или плохой контакт соединителей, перемычек, джемперов (29,7%); понижение сопротивления балласта (13%); закорачивание рельсовых линий при путевых работах или посторонними предметами (18,7%); отказы в работе путевых приемников вследствие влияния посторонних источников питания, грозы, неправильной регулировки режима работы обслуживающим персоналом.

Нарушение изоляции в изолирующих стыках происходит из-за продавливания торцевой изоляции в жаркую погоду, разрушения боковой фибровой изоляции, продавливания втулок и шайб. Срок службы стыка определяется строгостью соблюдения технологии при сборке стыка, качеством содержания пути, климатическими особенностями участка, интенсивностью и скоростью движения поездов. По данным МИИТа средняя наработка изолирующего стыка по перевезённым грузам составляет 25-35 миллионов тонн. Параметр потока отказов изолирующих стыков колеблется в пределах (2,25-10,5)10-6 ч-1 для АБ и (9,2-13,7)10-6 ч-1 для ЭЦ. С учетом того, что на сети железных дорог стран СНГ сейчас эксплуатируется около одного миллиона изолирующих стыков, становится понятной важность проблемы повышения их надежности.

Основные пути повышения надежности изолирующих стыков - повышение качества их сборки и технического обслуживания, переход на стыки с более качественной изоляцией, например, на клееболтовые стыки или на изоляцию из стеклотекстолита вместо фибровой и капроновой изоляции.

Основные причины обрыва стыковых соединителей приварного типа: коррозия, некачественная приварка, повреждения при путевых работах, потеря контакта между тросом и наконечником. У штепсельных соединителей наиболее характерной причиной отказа является нестабильность сопротивления перехода штепсель-рельс. Параметр потока отказов стыковых соединителей находится в пределах (11,0-16,5)10-6 ч-1. Поскольку на 1 км пути при длине рельсов 25 м приходится не меньше 80 стыковых соединителей, их отказы достаточно часты.

Дублирование стыковых соединителей считается наиболее эффективным методом повышения надежности токопроводящих стыков рельсовой линии. Для обеспечения работоспособности токопроводящего стыка до замены отказавших стыковых соединителей широко применяются временные стыковые соединители, которые вставляются под накладки с обоих сторон стыка, или используют два противоугона, соединенных между собой отрезком медного троса. Хороший эффект дает сплошной входной контроль соединителей, поступающих в дистанции, с отбраковкой негодных и дополнительным обжатием манжет медных приварных соединителей для улучшения контакта троса с манжетой.

Средний параметр потока отказов бутлежных перемычек составляет 1,5410-6 ч-1, стрелочных соединителей - 0,8710-6 ч-1, дроссельных перемычек - 0,3510-6 ч-1 [39]. Снижение количества их обрывов добиваются улучшением конструкции наконечников и качества заделки в них троса. Повышение срока службы кабельных и дроссельных перемычек с уменьшением количества замыканий обеспечивает покрытие их полиэтиленовой изоляцией.

Сопротивление изоляции рельсовой линии может резко различаться на разных участках даже одной железной дороги в зависимости от вида и состояния балласта, типа и качества шпал, климатических факторов, наличия перевозимых сыпучих токопроводящих грузов. Средняя интенсивность отказов рельсовых цепей на сети дорог из-за сопротивления балласта сейчас находится в пределах (5,0-7,5) 10-6 ч-1.

Кратковременные замыкания рельсовых цепей с интенсивностью (7,0-10,5) 10-6 ч-1 происходят обычно при путевых работах: закорачивание снимаемым или устанавливаемым рельсом, закорачивание дефектоскопной тележкой или путейскими электроагрегатами с неисправной изоляцией, инструментом при замене стрелочных переводов, шпал и перешивке пути, закорачивание разгоняемого изолирующего стыка.

Грозовые разряды и короткие замыкания контактной сети приводят к выходу из строя устройств защиты рельсовой цепи, а в отдельных случаях и к повреждению аппаратуры. Если тяговые токи в рельсовых линиях одного пути заметно различаются (асимметрия тягового тока превышает допустимые значения), то от разности тяговых токов в половинах основных обмоток дроссель-трансформаторов наводятся мешающие э.д.с. в дополнительных их обмотках и на обмотках путевых реле. Влияние низковольтных линий электропередачи и осветительных сетей может вызывать ложную занятость или ложную свободность рельсовой цепи.

В рельсовых цепях железных дорог и метрополитенов России эксплуатируется около 190 тысяч дроссель- трансформаторов (ДТ). Специфической причиной повреждений обмоток и выводов, разгерметизации ДТ является возникновение в основных обмотках усилий до 160 кгс в радиальном направлении от импульсов с амплитудой до 10-15 кА и длительностью 400-500 мс переменного тягового тока или 60-100 мс постоянного тягового тока. Импульсы возникают при трогании поездов и коротких замыканиях в контактной сети. Об уровне безотказности дроссель- трансформаторов можно судить по данным табл. 1.4. Профилактическое обслуживание и диагностика отказов рельсовых цепей затрудняются отсутствием серийных удобных в работе индикаторов и измерительных приборов для контроля их параметров.

Таблица 1.4 - Параметры потока отказов дроссель-трансформаторов

Тип ДТ	10-6 ч-1	Тип ДТ	10-6 ч-1
ДТ-0,2-500 ДТ-0,2-1000 ДТ-0,6-500	0,06 0,02 0,14	ДТ-0,6-1000 ДТ-1-150 2ДТ-1-150	0,07 0,11 0,02

На стрелочные электроприводы приходится в среднем пятая часть отказов в системах ЭЦ (табл. 3.3). Диапазон изменения параметра потока отказов в зависимости от их типа и условий эксплуатации - от 6,710-6 ч-1 до 4010-6 ч-1. Более половины отказов происходит из-за обрывов цепи на контактах автопереключателя, 17-24% отказов приходится на электродвигатели, 3,5-12,3% отказов происходят в механических передачах, до 11,4% отказов вызвано нарушением контакта блокировочного устройства и на заклинивание шибера приходится 1,5-7,0% отказов [43].

Более трети отказов автопереключателей является следствием неправильной регулировки пружин контактных колодок и недостаточной глубины врубания ножей. Почти столько же отказов приходится на излом колодок, контактов, рычагов, контрольных линеек.

Излом контактных колодок происходит из-за некачественного выполнения работ по техническому обслуживанию, когда врубающиеся ножи разбивают колодки, а также вследствие появления трещин при низких температурах в местах сопряжения металла с пластмассой. Использование для изготовления колодок материала Премикс вместо карболита или ударопрочного материала АГ-4В вместо фенопласта исключает эти отказы. Своевременная замена карболитовых колодок после выработки назначенного ресурса также дает хороший эффект.

Около трети отказов автопереключателя вызвано загрязнением и индевением контактов. Для предотвращения индевения используют обогрев, смазку графитом или глицерином, специальные насечки на ножах, колпаки из оргстекла и др.

Новые винтовые стрелочные электроприводы ВСП-150 имеют более надежную систему запирания и удержания шибера в замкнутом состоянии, наличие независимого контроля прижатого и отведенного остряков стрелки, более мягкий довод остряка к рамному рельсу. В то же время они сложнее конструктивно, чем электроприводы СП, и более трудоемки в монтаже. При их эксплуатации отказывали автопереключатели из-за увеличения переходного сопротивления на контактах микропереключателя БК-1 и фрикционные муфты. Надежность этих узлов повысили заменой металлических фрикционных дисков металлокерамическими и доработкой конструкции микропереключателя.

Некачественное техническое обслуживание приводит к нестабильной работе фрикционного устройства при перекосе трущихся поверхностей или отсутствии смазки на поверхностях фрикционных дисков.

Отказы электродвигателей составляют в среднем четвертую часть отказов стрелочных электроприводов. Параметры потока их отказов приведены в табл. 1.5. В стрелочных электродвигателях постоянного тока типа МСП около половины отказов происходит из-за обрывов или замыканий секций обмоток якоря и примерно треть - вследствие неисправности щеточного узла. Остальные отказы делятся почти поровну между обрывами или замыканиями обмоток статора, а также понижением изоляции. Обрывы секций якоря являются следствием нарушения технологии изготовления на заводе. Заметный эффект в повышении надежности щеточного узла дает применение усиленных пружин и контроль их состояния.

Таблица 1.5 - Параметры потока отказов стрелочных электродвигателей

Тип электродвигателя	10-6 ч-1
МСП-0,1 на напряжение: 30 В 100 В 160 В	0,63 0,44 1,41
МСП-0,15 на напряжение: 30 В 160 В	0,67 1,97
МСП-0,25 на напряжение: 30 В 100 В 160 В	1,81 1,38 1,17
МСТ-0,6 на напряжение 190 В	0,24

Стрелочные трехфазные асинхронные электродвигатели переменного тока типа МСТ не имеют ненадежного элемента - коллектора со щеточным узлом, отсутствие которого исключает также опасный отказ - появление ложного контроля положения стрелки при возникновении электрической дуги на трущемся контакте. Пятипроводная схема управления стрелочным электроприводом не требует реверсивного реле, а использование раздельных пар проводов для контроля плюсового и минусового положения стрелки исключает возможность ложного контроля положения стрелки из-за ошибочного подключения линейных проводов или контрольного диода.

На светофоры приходится до 6% отказов СЖАТ. Параметры потока отказов элементов сигналов в табл. 3.6 приведены раздельно по оборудованию, входящему в комплект поставки светофоров, и по остальным элементам сигнальной установки [39, 43].

Падение мачтовых светофоров составляет 0,5% отказов. Долговечность железобетонных мачт и фундаментов определяется действием электрокоррозии, температуры и влаги окружающей среды, действием агрессивной среды (почвы и атмосферы). Наиболее опасными являются повреждения арматуры и анкерных болтов в подземной части мачт и фундаментов светофоров вследствие электрокоррозии, возникающей обычно на участках электрифицированных железных дорог постоянного тока в пределах анодных и знакопеременных потенциалов рельсовой сети при утечках тока с плотностью свыше 0,6 А/мм2 с поверхности металла в бетон.

Таблица 1.6 - Параметры потока отказов светофоров

Наименование изделия	10-6 ч-1
Светофоры линзовые: на железобетонных мачтах на металлических мачтах без трансформаторных ящиков на металлических мачтах с трансформаторными ящиками карликовые Светофоры переездные Светофоры локомотивные Указатели и полосы освещения Лампа светофорная типа ЖС10-10-2 Ламповые патроны Монтажные провода	0,17 0,07 0,71 0,03 0,15 0,02 0,08 0,36 0,20 0,20



Характерным признаком электрокоррозии арматуры или анкерных болтов являются продольные трещины в подземной части конструкции, отслоения защитного слоя, выходы продуктов коррозии на поверхность бетона. Несущая способность конструкции становится меньше нормативной, когда трещины выходят на ее поверхность. Распирающее действие продуктов коррозии может приводить к образованию и поперечных трещин в фундаменте на глубине 0,5-0,6 м в месте загиба анкерных болтов. Если эти трещины расположены перпендикулярно рабочей арматуре и имеют ширину раскрытия более 0,5 мм, то светофорные железобетонные мачты должны заменяться. Ширину раскрытия трещин можно определять с помощью лупы Польди с точностью измерения 0,1 мм.

Разрушение бетона фундаментов и других железобетонных конструкций может происходить от попеременного замораживания и оттаивания воды, проникающей в поры бетона низких марок или при некачественном изготовлении изделий.

Состояние надземной части конструкций на всех участках и поземной части конструкций, имеющих токи утечки выше допустимых значений в анодных и знакопеременных зонах, должно оцениваться по результатам осмотров один раз в три года. Осмотр и оценка состояния поземной части конструкций на не электрифицированных участках, на участках с электротягой переменного тока и находящихся в катодных зонах при электротяге постоянного тока должны проводиться один раз в шесть лет. С такой же периодичностью необходимо измерять разность потенциалов «рельс-земля», электрическое сопротивление цепи заземления и ток утечки с арматурного каркаса фундаментной части на участках с электротягой постоянного тока.

Для проведения осмотра подземную часть мачт и фундаментов откапывают до глубины 25-40% поочередно с двух боковых сторон с временным закреплением мачт на случай падения разрушенного электрокоррозией светофора. При обнаружении повреждения глубину откопки увеличивают до 2/3 размера заглубления изделия. В первую очередь откапывают конструкции в анодных зонах с наибольшим потенциалом и сопротивлением цепи рельс-светофор меньше 100 Ом.

Ресурс лампы зависит от скорости испарения вольфрама с нити накала, возрастающей при повышении температуры спирали; однородности диаметра вольфрамовой проволоки, постоянства шага спирали и активности вредных газов. Концы спирали охлаждаются массивными электродами, поэтому температура растет к центру спирали. Перед установкой каждую светофорную лампу должны обжигать в течение одного часа номинальным напряжением промышленной частоты. В полученной партии допускается отбраковка 5% лампы линзовых светофоров и 10% ламп прожекторных светофоров.

Завышение напряжения питания светофорных ламп на 10% от номинального сокращает срок службы лампы примерно на 70%, в то время как снижение напряжения на 5% от номинального увеличивает срок службы в два раза [43]. Следовательно, правильная регулировка или стабилизация напряжения питания светофорных ламп заметно повышает их надежность.

1.6 Безотказность аппаратуры

Аппаратура в системах ЖАТ первой группы надежности, выполняющая ответственные функции, должна обладать требуемым уровнем защищенности от опасных отказов.

В качестве элементной базы для ответственных цепей отечественных релейных систем ЭЦ, АБ и переездной автоматики используются электромагнитные реле первого класса надежности, у которых с помощью специальных конструктивных мер достигается повышенная надежность относительно опасных отказов и обеспечивается несимметричность отказов.