Диагностика и надёжность электромеханических систем транспортного комплекса

Ó÷åáíèêè ÍÃÒÓ

Ñåðèÿ îñíîâàíà â 2001 ãîäó

 
 
 
 
 

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ 

СЕРИИ «УЧЕБНИКИ НГТУ» 

 
 

д-р техн. наук, проф. (председатель)  Н.В. Пустовой 
д-р техн. наук, проф. (зам. председателя)  Г.И. Расторгуев 
 
д-р техн. наук, проф. А.А. Батаев 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Вострецов 
д-р техн. наук, проф. В.А. Жмудь 
д-р техн. наук, проф. В.А. Гридчин 
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский 
д-р экон. наук, проф. К.Т. Джурабаев 
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев 
д-р филос. наук, проф. В.В. Крюков 
д-р техн. наук, проф. Х.М. Рахимянов 
д-р филос. наук, проф. М.В. Ромм 
д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев 
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор 
д-р юрид. наук, доц. В.Л. Толстых 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов 
д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина 
д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко 
д-р техн. наук, проф. Н.И. Щуров 

 
 

НОВОСИБИРСК

2 0 1 8

М. В. КАЛУГИН, В. В. БИРЮКОВ

ДИАГНОСТИКА
И НАДЁЖНОСТЬ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

ТРАНСПОРТНОГО

КОМПЛЕКСА

УДК 621.331.004.6(075.8) 
К 176 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор Д.Л. Калужский  
д-р техн. наук, профессор В.Н. Аносов 
 
 
Калугин М.В.  
К 176     Диагностика и надёжность электромеханических систем 
транспортного комплекса : учеб. пособие / М.В. Калугин, 
В.В. Бирюков ; под общей редакцией В.В. Бирюкова. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2018. – 236 с. (Серия «Учебники 
НГТУ»). 

ISBN 978-5-7782-3678-3 

Излагаются общие вопросы теории диагностики и надёжности 
технических систем применительно к рельсовому и безрельсовому 
электрическому транспорту. Анализируется структура электроподвижного состава с позиций оптимизации диагностических признаков и параметров для определения технического состояния его 
оборудования. Рассматриваются различные варианты исполнения 
средств диагностики механического и электрического оборудования транспортных средств, а также системы электроснабжения, 
оцениваются их достоинства и недостатки. Основные теоретические положения учебного пособия иллюстрируются примерами 
схемных решений и графическими характеристиками. 
Предназначено для студентов бакалавриата по направлению 
«Электротехника и электроэнергетика», а также для инженернотехнических работников, занимающихся проектированием средств 
диагностики и исследованием технического состояния электрического транспорта.  
 
УДК 621.331.004.6(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3678-3 
© Калугин М.В., Бирюков В.В., 2015, 2018 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2015, 2018 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Предисловие ...................................................................................................... 6 
Введение ............................................................................................................ 8 
Глава 1. Основные положения теории технической диагностики ............... 9 

1.1. Основные понятия и определения .................................................... 9 
1.2. Цели и задачи технической диагностики ....................................... 22 
1.3. Классификация методов и средств диагностики транспорт
ного комплекса ................................................................................. 23 

Глава 2. Транспорт как объект диагностирования ...................................... 25 

2.1. Структура транспорта ...................................................................... 25 
2.2. Характеристика подвижного состава как объекта диагно
стирования ........................................................................................ 27 

2.3. Признаки и параметры диагностики технического состоя
ния подвижного состава .................................................................. 35 

2.4. Методы и средства диагностирования транспортного сред
ства .................................................................................................... 39 

2.4.1. Основное сопротивление движению как показатель  

общего технического состояния .............................................. 39 

2.4.2. Диагностика электрической части подвижного состава ........ 59 
2.4.3. Диагностика сопротивления изоляции .................................... 72 
2.4.4. Диагностика токоприёмников ................................................... 84 
2.4.5. Диагностика механического оборудования транспорт
ного средства ........................................................................... 110 

Глава 3. Диагностика системы электроснабжения .................................... 131 

3.1. Система электроснабжения как объект диагностирования ........ 132 
3.2. Диагностика контактной сети ....................................................... 146 
3.3. Диагностика рельсовой сети ......................................................... 181 

Глава 4. Надёжность электромеханических систем .................................. 205 

4.1. Основные термины и определения понятий в теории надёж
ности ................................................................................................ 205 

4.2. Показатели надёжности ................................................................. 210 

Заключение .................................................................................................... 234 
Библиографический список ......................................................................... 235 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 

ффективность работы транспорта, определяемая производительностью, себестоимостью и безопасностью движе
ния, во многом зависит от его технического состояния. Правильная техническая эксплуатация всех элементов, входящих в транспортный комплекс, заключается в поддержании их надёжности и 
технической готовности, и это становится проблемой государственной важности. В системе транспорта производятся регламентные работы – техническое облуживание и ремонт всех элементов комплекса, значительно улучшить качество которых невозможно без внедрения эффективных методов и средств определения их технического состояния, позволяющих исключить или 
максимально снизить влияние субъективного фактора в оценке до- 
и послеремонтного состояния объекта. 

В соответствии с Госстандартом область знаний, охватываю
щая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов, называется технической диагностикой. 

Применительно к задачам, решаемым в процессе эксплуатации 

элементов транспортного комплекса, под диагностированием понимают определение их технического состояния без разборки с  
целью выявления потребности в ремонте или профилактике, которые смогут обеспечить  его исправность в пределах заданного межконтрольного срока, а также управление технологическими процессами обслуживания и ремонта. 

Большое разнообразие видов транспорта, а также ещё бóльшее 

количество типов подвижного состава (ПС) предопределило появление разнообразных средств и методов диагностирования элементов транспортных комплексов. При этом основная доля разработок 
в области диагностики относится к автомобильному транспорту как 

Э

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
7 

наиболее развитому и многочисленному по сравнению с другими 
видами. 

В промышленно развитых странах основным направлением 

развития технической диагностики было обеспечение эксплуатационной надёжности легковых автомобилей индивидуального 
пользования. Ряд зарубежных фирм («Andersen» – Голландия, 
«Roboti», «Fiat» – Италия, «Gofman», «Boch» – Германия, «Muller 
Bem» – Франция, «Lacock», «Kripton» – Англия, «Sum» – США и др.) 
выпускает многочисленные конструкции диагностических стендов 
и приборов. В результате проведения исследовательских и конструкторских работ как научно-исследовательскими институтами, 
так и вузами нашей страны были созданы и внедрены диагностические средства, разработаны соответствующие технологические 
решения на основе учёта высокой централизации подвижного состава и единой системы технического обслуживания, определяющей единую политику в сфере технического обслуживания и ремонта автомобилей. 

Весомый вклад в развитие и популяризацию технической диа
гностики автомобилей в нашей стране в своё время внесли 
И.Н. Аринин, А.В. Мозгалевский, Д.В. Гаскаров, Л.В. Мирошников, 
А.П. Болдин, В.И. Пал и др. 

В области городского электрического транспорта разработка и 

внедрение методов и средств диагностирования элементов транспортного комплекса проводились Национальным исследовательский университетом (Московский энергетический институт – 
МЭИ), Новосибирским государственным техническим университетом (НЭТИ), Харьковским институтом инженеров коммунального 
строительства, Академией коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, 
Научно-исследовательским 
конструкторско-технологи
ческим институтом городского хозяйства и др. 

Пособие содержит сведения по методам и средствам техниче
ского диагностирования элементов комплекса городского электрического транспорта (ГЭТ).  

ВВЕДЕНИЕ 

 

тремление улучшить комфортабельность транспортных 
средств ГЭТ и повысить их экономичность приводит к 

усложнению конструкции как механической, так и электрической 
части подвижного состава. Диагностика транспортных средств ГЭТ 
это по сути диагностика электрической и механической частей, и 
выполняется она на раздельных диагностических установках. Однако наиболее полных и достоверных результатов можно добиться, 
проводя диагностирование, например, на комплексных катковых 
стендах, позволяющих определить состояние и электрической, и 
механической части в динамике. 

Методы и средства диагностики ПС ГЭТ должны позволять диа
гностировать: ПС в целом; двигатель; силовую цепь; системы управления электрической частью ПС; трансмиссию; ходовую часть; рулевое управление; тормозную систему и т. д. При этом в отличие от 
автотранспорта главное здесь – диагностирование электрической части трамваев и троллейбусов. Связано это с тем, что, во-первых, в 
качестве приводного мотора используется электрический двигатель 
и, во-вторых, согласно статистическим данным доля отказов электрического оборудования составляет 65…70 % от всех отказов на ПС 
ГЭТ. Кроме того, одним из важнейших признаков, определяющих 
пригодность транспортного средства к эксплуатации с позиций электробезопасности, является величина токов утечки. 

Для более полного восприятия материала авторы сочли необ
ходимым включить в книгу некоторые основные положения из теории технической диагностики, а также привести результаты разработки средств диагностики элементов транспортного комплекса из 
смежных областей транспорта, в частности железнодорожного. 

С

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

 
9 

Глава 1 

ОСНОВНЫЕ  ПОЛОЖЕНИЯ  ТЕОРИИ  

ТЕХНИЧЕСКОЙ  ДИАГНОСТИКИ 

 
 
 
 
 
 

иагностика, как и любая другая наука, оперирует устоявшейся терминологией, без знания которой невозможно из
лагать материал и однозначно трактовать те или иные положения 
теории, описывать цели и задачи диагностирования, методы  проведения исследований, особенности исполнения измерительной аппаратуры и т. д. Поэтому вначале приводятся основные понятия и 
определения, в том числе и оговорённые государственными стандартами, а также анализируются известные к настоящему моменту 
методы и средства диагностирования, используемые на транспорте. 

1.1.  ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ  И  ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

Определение технического состояния объекта – это отправная 

точка для принятия решения о возможности и целесообразности его 
использования в каком-либо технологическом процессе. При этом 
наибольшей достоверностью оценки реального состояния объекта 
обладают сведения, полученные при минимальном влиянии субъективных факторов, в частности – человека.      

Любой технический объект после проектирования проходит две 

основные стадии «жизни» – изготовление и эксплуатацию. Применительно к задачам, решаемым технической диагностикой, на 
стадии изготовления целесообразно выделять периоды приёмки 
комплектующих изделий и материалов, производства, наладки и 
сдачи объекта отделу технического контроля (ОТК) или представителю заказчика. Стадия эксплуатации объекта включает в себя 

Д

Глава 1. ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ 

10 
 

применение его по назначению, профилактику (плановую, до и 
после применения по назначению), ремонт, транспортирование и 
хранение. 

Требования, которым должен удовлетворять изготовленный 

(новый) или эксплуатируемый объект, определяются соответствующей нормативно-технической документацией. Объект, удовлетворяющий всем требованиям нормативно-технической документации, 
считается исправным, или находящимся в исправном техническом состоянии. Убеждаться в исправности объекта следует после 
его изготовления и после ремонта. 

В условиях эксплуатации важным является понятие работоспо
собного технического состояния объекта. Объект работоспособен, если он может выполнять все возложенные на него функции с 
сохранением значений заданных параметров (признаков) в требуемых пределах. Убеждаться в работоспособности объекта необходимо, например, при его профилактике, после транспортировки и хранения. 

Для этапа применения по назначению существенно понятие 

технического состояния правильного функционирования объекта. Правильно функционирующим будет объект, значения параметров (признаков) которого в текущий момент его применения 
по назначению находятся в требуемых пределах (в этот момент 
объект не отказал, т. е. правильно выполняет конкретно заданную 
функцию).  

Говоря о диагностике и диагностировании, необходимо остано
виться на критериях, по которым определяется состояние объекта. 
Этими критериями служат признаки. Так, в частности, в качестве 
признаков при диагностировании электрической части ПС могут использоваться: электрический ток, напряжение, сопротивление и т. д. 
Признаками технического состояния механической части могут 
быть: шум, вибрация, линейные размеры и т. д. Вместе с тем признаки не будут информативными, если не оговорены пределы их 
количественных значений, которые называются параметрами. Параметры, как правило, образуют поле значений, при нахождении в 
котором объект считается по данному признаку исправным. 

Неисправное и неработоспособное техническое состояние, а 

также техническое состояние неправильного функционирования объекта может быть детализировано путем указания соответ

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

 
11 

ствующих дефектов, нарушающих исправность, работоспособность 
или правильность функционирования и относящихся к одной или 
нескольким составным частям объекта либо к объекту в целом. Под 
дефектом следует понимать любое несоответствие свойств объекта 
заданным, требуемым или ожидаемым его свойствам. Обнаружение дефекта есть установление факта его наличия или отсутствия в 
объекте. Поиск дефекта заключается в указании с определенной 
точностью его местоположения в объекте. 

Обнаружение и поиск дефектов являются процессами опреде
ления технического состояния объекта и объединяются общим 
термином «диагностирование»; диагноз есть результат диагностирования. Таким образом, задачами диагностирования является 
проверка исправности, работоспособности и правильности функционирования объекта, а также поиск дефектов, которые их нарушают. Строгая постановка этих задач предполагает, во-первых, 
прямое или косвенное задание класса возможных (рассматриваемых, заданных, наиболее вероятных) дефектов и, во-вторых, наличие формализованных методов построения алгоритмов диагностирования, реализация которых обеспечивает обнаружение дефектов 
из заданного класса с требуемой полнотой или с требуемой глубиной. 

В процессе эксплуатации средств транспорта ухудшаются их 

эксплуатационные показатели и техническое состояние, возникают 
отказы и неисправности. 

Технический уровень любого транспортного средства оцени
вают конструктивными, производственными (технологическими) и 
эксплуатационными показателями. К эксплуатационным показателям относятся в первую очередь надежность и контролепригодность. 

Надежность транспортного средства закладывается при его 

проектировании, обеспечивается при изготовлении и проявляется в 
процессе эксплуатации. Количественно надежность оценивается 
показателями безотказности, долговечности, ремонтопригодности и 
сохраняемости. 

К основным показателям работоспособности транспортного 

средства относятся неисправность и отказ. 

Под отказом понимают событие, заключающееся в нарушении 

работоспособности (один или несколько рабочих параметров изде