Диагностика электромеханических систем транспортного комплекса

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
М.В. КАЛУГИН, В.В. БИРЮКОВ 
 
 
 
 
ДИАГНОСТИКА 
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ 
СИСТЕМ ТРАНСПОРТНОГО 
КОМПЛЕКСА 
 
 
 
Утверждено  
Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
2-е издание 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2018 

 

УДК 621.331.004.6(075.8) 
   К 176 
 
 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор Д.Л. Калужский 
д-р техн. наук, профессор Е.Г. Порсев 
 
 
 
 
Калугин М.В.  
К 176  
Диагностика электромеханических систем транспортного 
комплекса: учебное пособие / М.В. Калугин, В.В. Бирюков;  
под общей редакцией В.В. Бирюкова. – 2-е изд. – Новосибирск: 
Изд-во НГТУ, 2018. – 92 с.   

ISBN 978-5-7782-3599-1 

Излагаются общие вопросы теории диагностики 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, 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 инженерно-технических работников, занимающихся проектированием средств диагностики и исследованием технического состояния электрического транспорта.  
 
 
 
 
УДК 621.331.004.6(075.8) 
 
 
ISBN 978-5-7782-3599-1                         © Калугин, М.В., Бирюков В.В., 2014, 2018 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2014, 2018 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие ............................................................................................................. 4 

Введение ................................................................................................................... 6 

Г л а в а  1. Основные положения теории технической диагностики ........... 7 

1.1. Основные понятия и определения ............................................................. 7 
1.2. Цели и задачи технической диагностики ................................................ 18 
1.3. Классификация методов и средств диагностики транспортного 
комплекса .................................................................................................. 19 

Г л а в а  2. Транспорт как объект диагностирования ................................... 21 

2.1. Структура транспорта ............................................................................... 21 
2.2. Характеристика подвижного состава как объекта диагностирования .......................................................................................................... 23 
2.3. Признаки и параметры диагностики технического состояния 
подвижного состава ................................................................................. 29 
2.4. Методы и средства диагностирования транспортного средства ........... 34 
2.4.1. Основное сопротивление движению как показатель  
общего технического состояния подвижного состава .............. 34 
2.4.2. Диагностика сопротивления изоляции ........................................ 53 
2.4.3. Диагностика токоприёмников ...................................................... 64 

Заключение ............................................................................................................. 89 

Библиографический список .................................................................................. 90 

 
 
 
 
 
 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Эффективность работы транспорта, определяемая производительностью, себестоимостью и безопасностью движения, во многом обусловливается его техническим состоянием. Правильная техническая 
эксплуатация всех элементов, входящих в транспортный комплекс, 
заключается в поддержании их надёжности и технической готовности, 
и это становится проблемой государственной важности. Для ее решения в системе транспорта производятся регламентные работы: техническое облуживание и ремонт. Снизить затраты труда и средств можно, повышая производительность и улучшая качество технического 
обслуживания и ремонта. Значительно улучшить качество технического обслуживания и ремонта элементов транспортного комплекса 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 государственным стандартом область знаний, 
охватывающая 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 технического состояния элементов комплекса без их 
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 большее 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 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.) выпускают многочисленные 
конструкции диагностических стендов и приборов. В результате проведения исследовательских и конструкторских работ как научноисследовательскими институтами, так и вузами нашей страны были 
созданы и внедрены основные 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. 
В области городского электрического транспорта разработка и 
внедрение методов и средств диагностирования элементов транспортного комплекса проводились Национальным исследовательским университетом «МЭИ» (Московский энергетический институт), Новосибирским государственным техническим университетом (НГТУ), 
Харьковским институтом инженеров коммунального строительства, 
Академией коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, Научноисследовательским конструкторско-технологическим институтом городского хозяйства и др. 
Представляемое учебное пособие содержит сведения по методам и 
средствам технического диагностирования элементов комплекса городского электрического транспорта (ГЭТ), которое может быть использовано студентами при изучении дисциплины «Диагностика и 
надёжность электромеханических систем», изучаемой в цикле бакалавриата.      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Стремление 
к 
улучшению 
комфортабельности 
транспортных 
средств ГЭТ и повышению их экономичности приводит к усложнению 
конструкции и механической и электрической части подвижного состава. Диагностика транспортных средств ГЭТ может рассматриваться как 
диагностика электрической и механической частей и выполняться на 
раздельных диагностических установках. Однако наиболее полных и 
достоверных результатов можно добиться, проводя диагностику, 
например, на комплексных катковых стендах, позволяющих определить 
состояние как электрической, так и механической части в динамике. 
Методы и средства диагностики ПС ГЭТ должны позволять диагностировать: 
 ПС в целом;  
 двигатель; 
 силовую цепь; 
 систему управления электрической частью ПС; 
 трансмиссию; 
 ходовую часть; 
 рулевое управление; 
 тормозную систему и т. д. 
При этом в отличие от автотранспорта на первый план выдвигаются 
вопросы диагностирования 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, при проверке технического состояния троллейбусов в целом один из важнейших признаков, 
определяющих пригодность транспортного средства к эксплуатации с 
позиций электробезопасности, – это величина токов утечки. 
В целях более полного восприятия материала авторы посчитали необходимым включить в учебное пособие некоторые основные положения из теории технической диагностики, а также привести результаты 
разработки средств диагностики элементов транспортного комплекса из 
смежных областей транспорта, в частности железнодорожного. 

Г л а в а  1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ  
ТЕОРИИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ 

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

Определение технического состояния объекта является отправной 
точкой 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 приемки комплектующих изделий и материалов, процесса производства, наладки и сдачи 
объекта отделу технического контроля (ОТК) или представителю заказчика. Для стадии эксплуатации типичными являются этапы применения объекта по назначению, профилактики (плановой, до и после 
применения по назначению), ремонта, транспортирования и хранения объекта. 
Требования, которым должен удовлетворять изготовленный (новый) или эксплуатируемый объект, определяются соответствующей 
нормативно-технической документацией. Объект, удовлетворяющий 
всем требованиям нормативно-технической документации, называется 
исправным, или находящимся в исправном техническом состоянии. 
Убеждаться в исправности объекта следует после его изготовления и 
после ремонта. 
В условиях эксплуатации важно понятие работоспособного 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 является объект, значения параметров 
(признаков) которого в текущий момент реального времени применения объекта по назначению находятся в требуемых пределах (в этот 
момент времени объект не отказал, т. е. правильно выполняет конкретно заданную функцию). 
Говоря о диагностике и диагностировании, необходимо остановиться на вопросе о критериях, по которым определяется состояние 
объекта. Этими критериями являются признаки. Так, в частности, при 
диагностировании электрической части ПС признаками могут быть: 
электрический ток, напряжение, сопротивление и т. д. Признаками 
технического состояния механической части могут служить: 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 могут быть детализированы посредством указания соответствующих дефектов, которые нарушают исправность, работоспособность или правильность функционирования и относятся 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 определения 
технического состояния объекта и объединяются общим термином 
«диагностирование»; диагноз есть результат диагностирования. Таким образом, в задачи диагностирования входят: проверка исправности, работоспособности и правильности функционирования объекта, а 
также поиск дефектов, нарушающих исправность, работоспособность 
или правильность функционирования. 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 поиск последних с требуемой глубиной. 
В процессе эксплуатации средств транспорта ухудшаются их эксплуатационные показатели и техническое состояние, возникают отказы и неисправности. 
Технический уровень любого транспортного средства оценивают 
конструктивными, производственными (технологическими) и эксплуатационными показателями. К эксплуатационным показателям, характеризующим техническое состояние транспортных средств, относятся 
в первую очередь надежность и контролепригодность. 
Надёжность транспортного средства закладывается при его проектировании, обеспечивается при изготовлении и проявляется в процессе 
эксплуатации. Количественно надёжность 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 изделия 
выходят за допустимые пределы, дальнейшая эксплуатация транспортного средства невозможна или неэффективна по экономическим соображениям). Основные причины отказа: износ поверхностей подвижных 
сопряжений узлов, нарушение регулировочных характеристик, различные физико-химические необратимые процессы и т. п. 
Неисправность в ряде случаев не связана непосредственно с потерей работоспособности. Неисправный узел или агрегат не может выполнять все свои функции или выполняет их с определенными отклонениями. Если своевременно не устранить неисправность, может 
возникнуть отказ. Например, неустранённый стук в подшипниках коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания приводит к его заклиниванию. 
По характеру изменения отказы классифицируют на постепенные 
и внезапные. Первым предшествует постепенное изменение какоголибо контролируемого в процессе эксплуатации транспортного средства параметра технического состояния, выход которого за установленное значение (например, предусмотренное техническими условиями) характеризует отказ. Примеры постепенного отказа: снижение 
мощности двигателя внутреннего сгорания, износ сопряжения золот

ник–корпус гидрораспределителя, износ бандажей колёсных пар тягового подвижного состава и т. д. 
Внезапные отказы чаще являются следствием неконтролируемого в 
условиях эксплуатации постепенного качественного изменения физико-механических свойств, накопления в деталях усталостных повреждений или следствием действия недопустимых нагрузок, температур 
и т. д. Примеры внезапных отказов: пробой проводов высокого напряжения, перегорание элементов электрических схем транспортных 
средств, обрыв рукавов высокого давления гидропривода. 
С расширением функциональных возможностей применяемых в 
эксплуатации методов и средств диагностирования технического состояния все больше внезапных отказов может быть отнесено к числу 
постепенных. Разграничение отказов на постепенные и внезапные позволяет выбирать соответствующие методы и средства их локализации 
и методы прогнозирования остаточного ресурса. 
Отказы подразделяют на конструкционные, производственные 
(технологические) и эксплуатационные. 
Причина возникновения конструкционных отказов – нарушение 
установленных норм и правил и (или) норм конструирования. Производственные отказы возникают в результате нарушения процессов 
изготовления, сборки, приработки узлов транспортного средства, неправильного выбора допустимых температур и других режимов. Чаще 
всего они проявляются на ранней стадии эксплуатации транспортного 
средства. Эксплуатационные отказы возникают в результате нарушения установочных правил и (или) условий эксплуатации (силового, 
теплового и скоростного режимов). 
Кроме того, отказы подразделяют на независимые и зависимые. 
Одним из важнейших условий поддержания на высоком уровне 
эффективности и надежности транспортных средств служит своевременное обнаружение и предупреждение на ранней стадии неисправностей и отказов. Этому способствует внедрение современных методов и 
средств диагностирования. 
Диагностирование технического состояния любого объекта осуществляется теми или иными средствами диагностирования. Средства могут быть аппаратурными или программными; в качестве 
средств диагностирования может также выступать человек: оператор, 
контролер, наладчик. Средства и объект диагностирования, взаимодействующие друг с другом, образуют систему диагностирования. Различают системы тестового и функционального диагностирования.  
В системах тестового диагностирования на объект подаются специаль

но организуемые тестовые воздействия. В системах функционального 
диагностирования, которые работают в процессе применения объекта 
по назначению, подача тестовых воздействий, как правило, исключается; на объект поступают только рабочие воздействия, предусмотренные его алгоритмом функционирования. В системах обоих видов средства диагностирования воспринимают и анализируют ответы объекта 
на входные (тестовые или рабочие) воздействия и выдают результат 
диагностирования, т. е. ставят диагноз: объект исправен или неисправен, работоспособен или неработоспособен, функционирует правильно 
или неправильно, имеет такой-то дефект или в объекте повреждена 
такая-то его составная часть и т. п. Системы тестового диагностирования необходимы для проверки исправности и работоспособности, а 
также поиска дефектов, нарушающих исправность или работоспособность объекта. Системы функционального диагностирования необходимы для проверки правильности функционирования и для поиска дефектов, нарушающих правильное функционирование объекта. 
Система диагностирования в процессе определения технического 
состояния объекта предусматривает некоторый алгоритм (тестового 
или функционального) диагностирования. Алгоритм диагностирования в общем случае состоит из определенной совокупности так 
называемых элементарных проверок объекта а также правил, устанавливающих последовательность реализации элементарных проверок, и 
правил анализа результатов последних. Каждая элементарная проверка 
определяется своим тестовым или рабочим воздействием, подаваемым 
или поступающим на объект, и составом контрольных точек, с которых снимаются ответы объекта на это воздействие. Результатом  
элементарной проверки являются конкретные значения ответных сигналов объекта в соответствующих контрольных точках. Диагноз 
(окончательное заключение о техническом состоянии объекта) ставится в общем случае по совокупности полученных результатов элементарных проверок. 
Любая система диагностирования – это специфическая система 
управления или контроля. Специфика заключается в цели управления 
(контроля), состоящей в определении технического состояния объекта 
диагностирования. В соответствии с этим при разработке систем диагностирования должны решаться те задачи, которые решаются при 
разработке любых других систем управления или контроля. Это: изучение объекта, его возможных дефектов и признаков проявления последних, выбор или построение математического описания (модели)