Báo cáo khoa học: "phân tích và đánh giá độ tin cậy của các phân hệ trên đầu máy diezel truyền động điện sử dụng trong ngành đường sắt" doc

phân tích v đánh giá độ tin cậy
của các phân hệ trên đầu máy diezel truyền động điện
sử dụng trong ngnh đờng sắT


PGS. TS. đỗ đức tuấn
Th.S. đỗ việt dũng

Bộ môn Đầu máy - Toa xe - ĐH GTVT
Tóm tắt: Bi báo trình by nội dung nghiên cứu phân tích v đánh giá độ tin cậy của các phân hệ
cơ bản nh phân hệ động cơ diezel, phân hệ truyền động điện, phân hệ bộ phận chạy, phân hệ trang
thiết bị phụ v phân hệ điều khiển trên đầu máy diezel truyền động điện D9E, D13E, D12E v D18E
đang sử dụng trong ngnh đờng 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-systems, electric driving sub-systems, running component 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 lợng vận dụng của đầu máy đợc 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, h 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 nh 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 phơng pháp nghiên cứu liên quan tới việc đánh giá độ tin cậy của đầu
máy với t cách là một hệ thống kỹ thuật phức hợp, thông qua mô hình các h 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
đờng 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 tơng ứng trên đầu máy tới khi xuất hiện h hỏng gây gián đoạn chạy tầu (thời gian
làm việc giữa các lần xảy ra h 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.

Từ các số liệu thống kê tiến hành xác lập:
1. Các tập số liệu thống kê đại lợng ngẫu nhiên về thời gian làm việc của từng phân hệ trên đầu
máy giữa hai lần xảy ra h 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) T
lvi
,
2. Các tập số liệu thống kê đại lợng ngẫu nhiên về thời gian gián đoạn chạy tầu do một h hỏng
của từng phân hệ trên đầu máy gây ra khi vận hành trên tuyến (thời gian phục hồi) T
fhi
.
3. Xử lý các tập số liệu thống kê đại lợng ngẫu nhiên.
Việc xử lý số liệu thống kê đợc tiến hành trên cơ sở lý thuyết độ tin cậy và thống kê toán
học nhờ chơng trình xử lý số liệu chuyên dùng [2]. Mỗi tập số liệu đợc 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 phơng pháp nêu trên sẽ xác định đợc các đặc trng bằng số tơng
ứng của các quy luật phân bố, bao gồm: kỳ vọng toán, phơng sai, sai lệch bình phơng 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 tơng ứng, tiến hành xác định cờng độ hỏng và cờng độ phục hồi
của từng phân hệ trên đầu máy nói riêng
i
,

i
và của tổng thể hệ thống - đầu máy nói chung

s
,
s
[3, 4, 5].
Bảng 1
Các biểu thức xác định độ tin cậy của các phân hệ v hệ thống
Độ tin cậy của hệ thống
Nối tiếp
Các phần tử không phục hồi Các phần tử có phục hồi
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)








=

=
n
1i

is
t.exp)t(P
Phân bố mũ
()
[]






+


+
+

= t.exp.1)t(P
ss
s
s
ss
s
s
(5)
Phân bố Gauss


=

=
n
1i
i
i
i
i
s
a
F
at

F1
)t(P
(2)
Phân bố mũ:

++=




=
=
t.exp.KS)t(S
n
1i
n
1i
i
n
1i
i
isss
(5)
- Hệ số sẵn sàng
-

ss
s
s
S

+

=
hoặc

=
+
=
n
1i
i
s
1
1
S
(6)


Tiếp bảng 1
2. Xác suất hỏng 2. Xác suất hỏng, hàm không sẵn sàng
Phân bố mũ
(3)

=

=
n
1i
is
t.exp1)t(Q
Phân bố mũ

(
[]
{}
t.exp1)t(Q
ss
ss
s
s
+
+

=
)
(7)
Phân bố Gauss


=

=
n
1i
i
i
i
i
s
a
F
at
F1
1)t(Q

(4)
Phân bố mũ

()
[]






+


+
+

= t.exp.1)t(K
ss
s
s
ss
s
s
(7)
Hệ số không sẵn sàng
-

ss
s

s
K
+

=
hoặc


=
=
+

=
n
1i
i
n
1i
i
s
1
K
(8)

5. Từ các giá trị cờng độ hỏng và cờng 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 đợc tiến hành theo hai phơng án:
Phơng án 1. Xác định độ tin cậy của các phân hệ với t 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 cờng độ phục hồi ).
Phơng án 2. Xác định độ tin cậy của các phân hệ với t 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 cờng độ phục hồi ).
Các biểu thức xác định các thông số độ tin cậy của từng phân hệ trong hệ thống theo hai
phơng án đợc thể hiện trong bảng 1.
Trong đó:
Cờng độ hỏng của hệ thống - đầu máy:

=
=
n
1i
is
, (9)

Cờng độ phục hồi của hệ thống - đầu máy:


=
=


=
n
1i
i
n
1i

i
s
, với
i
i
i


=
, i = 1, 2, 3, , 5. (10)

6. Xác định xác suất giới hạn để đầu máy nằm trong mỗi trạng thái đang xét [1,4]

- (
13
+
15
+
17
+
19
+
110
)P
1
+
31
P
3
+

51
P
5
+
71
P
7
+
91
P
9
+
101
P
10
= 0

13
P
1
-
31
P
3
= 0

15
P
1
-

51
P
5
= 0

17
P
1
-
71
P
7
= 0

19
P
1
-
91
P
9
= 0

110
P
1
-
101
P
10

= 0
(11)
Trong đó:

13
,
15
,
17
,
19
,
110
- cờng 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 h 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].

31
,
51
,
71
,
91
,
101
- cờng độ chuyển tiếp từ trạng thái không làm việc của đầu máy do h
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 h hỏng tơng ứng, [1, 4].
3. Kết quả xác định các chỉ tiêu độ tin cậy của đầu máy D9E, D13E, D12E v D18E
sử dụng trong ngnh đờng sắt Việt Nam giai đoạn 1998 - 2001
Quá trình xử lý số liệu theo [2] cho thấy tất cả các đại lợng 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 đợc
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 t cách l 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 cờng độ phục hồi
, hàm tin cậy của từng phân hệ và của tổng thể hệ thống-đầu máy đợc xác
định theo biểu thức (1). Kết quả tính toán đợc 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 t cách
là các phần tử không phục hồi và của tổng thể hệ thống - đầu máy trong giai đoạn 1998 - 2001 đợc
thể hiện trên các hình 1- 4.
3.2. Độ tin cậy của các phân hệ trên đầu máy với t cách l 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
cờng độ phục hồi
, hàm tin cậy của từng phân hệ và của tổng thể hệ thống - đầu máy đợc xác định
theo các biểu thức (5), (7). Kết quả tính toán đợc 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 t cách
là các phần tử không phục hồi và của tổng thể hệ thống-đầu máy trong giai đoạn 1998 - 2001 đợc
thể hiện trên các hình 5 đến 8.

b¶ng 1 , 2



h×nh 1-4

h×nh 5-8

3.3. Xác suất giới hạn do h 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
cờng độ phục hồi
, xác suất giới hạn của từng phân hệ và của tổng thể hệ thống - đầu máy đợc
xác định theo các biểu thức (9) - (11).
Kết quả tính toán xác suất giới hạn do h 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 đợc thể hiện trong bảng 3.
Kết quả tính toán xác suất giới hạn do h hỏng của các phân hệ trên đầu máy tổng hợp cho cả
giai đoạn 1998-2001 đợc thể hiện trong bảng 4.
Mức độ tin cậy của các phân hệ trên đầu máy tổng hợp cho cả giai đoạn 1998-2001 đợc 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 v 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, nhng 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 trng 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 tơng 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 tơng đối
thấp, đứng thứ ba và thứ t 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 tơng đơng
nhau và tơng 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 h hỏng của các hệ thống
trên đầu máy D9E, D13E, D12E v D18E tổng hợp cho cả giai đoạn 1998-2001

TT Các thông số D9E D13E D12E D18E
I
Xác suất chuyển tiếp của đầu máy sang trạng thái
làm việc P
1
0,99236 0,98941 0,9993 0,9976
II
Xác suất chuyển tiếp của đầu máy sang trạng thái
không làm việc do h hỏng của:

2.1 Phân hệ động cơ diezel P
3
0,002323 0,002731 0,0930 0,6032
2.2 Phân hệ truyền động điện P
5
0,001128 0,000989 0,1138 0,4313
2.3 Phân hệ bộ phận chạy P
7
0,000294 0,000109 0,0552 0,2765
2.4 Phân hệ trang thiết bị phụ P
9
0,002113 0,003288 0,1769 0,4585
2.5 Phân hệ điều khiển P
10
0,001779 0,003543 0,2350 0,6363

Bảng 5
Mức độ tin cậy của các phân hệ trên đầu máy
D9E, D13E, D12E v D18E trong giai đoạn 1998-2001

Mức tin cậy D9E D13E D12E D18E
1 Phân hệ bộ phận chạy Phân hệ bộ phận chạy Phân hệ bộ phận chạy Phân hệ bộ phận chạy
2 Phân hệ điều khiển Phân hệ TĐ điện Phân hệ động cơ diezl Phân hệ TĐ điện
3 Phân hệ thiết bị phụ Phân hệ động cơ diezl Phân hệ TĐ điện Phân hệ thiết bị phụ
4 Phân hệ TĐ điện Phân hệ điều khiển Phân hệ thiết bị phụ Phân hệ động cơ diezl
5 Phân hệ động cơ diezl Phân hệ thiết bị phụ Phân hệ điều khiển Phân hệ điều khiển
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 hởng của độ tin cậy vận dụng đầu máy tới chất lợng và
hiệu quả vận tải đờng sắt.
2. Nhìn chung, mặc dù độ tin cậy tổng hợp của đầu D12E là lớn nhất, nhng độ tin cậy của
phân hệ truyền động điện và điều khiển trên đầu máy D12E lại hầu nh thấp nhất so với
các hệ thống khác trên đầu máy. Nh 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 đợc quan tâm hơn trong quá trình sử dụng, bảo
dỡng và sửa chữa.
3.
Đây là lần đầu tiên vấn đề độ tin cậy đợc tiến hành khảo sát, nghiên cứu một cách có hệ
thống và tơng 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 t cách là một hệ thống kỹ thuật phức hợp. Tạp chí Giao thông Vận tải. Số 10/2002.
[2]. Đỗ Đức Tuấn. Xây dựng chơng trình xử lý số liệu thống kê các đại lợng ngẫu nhiên cho việc
nghiên cứu hao mòn và độ tin cậy của đầu máy diezel. Đề tài NCKH T98-CK92. Trờng 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].
. . c
. ., 1986.

[5]. A. . . . M, 1999 Ă