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

Chia sẻ: Bobietbay | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

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

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