Оптимизация системы технического обслуживания и ремонта локомотивов

Одна из важнейших проблем железнодорожного транспорта сегодня — повышение надёжности работы тягового подвижного состава, снижение трудоёмкости ремонта локомотивов, а значит, и эксплуатационных расходов. Чтобы решить эту задачу, необходима принципиально новая концепция перехода на ремонт тягового подвижного состава по его фактическому состоянию.

Существующая продолжительное время планово — предупредительная система ремонта локомотивов в её нынешнем виде не отвечает современным требованиям. Она не учитывает климатические и эксплуатационные условия полигонов работы, физический износ тягового подвижного состава, интенсивность его использования, конструктивные особенности каждой серии локомотивов.

Приведём некоторые данные работы других дорог:

Опыт показывает, что переход на новую систему ремонта тягового подвижного состава возможен только с одновременным внедрением диагностических комплексов и передовых технологий ремонта узлов локомотивов. Поэтому в 1998 г. на дороге была разработана и утверждена концепция развития локомотивного хозяйства, основным направлением которой является специализация депо, их укрепление, внедрение технологий, разработанных совместно с ведомственной наукой, другими институтами Сибири, предприятиями ВПК, центра внедрения новой техники и технологий (ЦВНиТ) «Транспорт».

С объединением Кемеровской и Западно-Сибирской дорог появилась реальная возможность сосредоточить ремонт локомотивов по их сериям, организовать кооперацию ремонта отдельных узлов на основе современных технологий.

Только широкая специализация позволяет внедрить передовые высокоэффективные технологии, а это — реальная основа перехода на новую систему ремонта локомотивов по состоянию. После получения руководящего документа МПС № 2185у от 30 сентября 1999 г. «Об организации работ для перехода на ремонт по техническому состоянию локомотивов и МВПС» на дороге издан приказ, где определены пять базовых депо, лучше других оснащённых диагностическими комплексами, имеющими определённый опыт их работы, утверждена новая цикличность, т. е. межремонтные пробеги. Это депо Карасук, Московка, Тайга, Омск, Новосибирск-Главный.

Предлагается плановая постановка локомотивов на ремонт с широким использованием средств диагностики для определения объёма ремонтов в зависимости от технического состояния с обязательным увеличением межремонтных пробегов и снижение трудоёмкости.

Для перехода на новую систему ремонта дорога с 1996 г. начала планомерно приобретать диагностические комплексы и внедрять современные технологии. Сегодня в 12 депо имеются 44 диагностических комплекса.

Системы мониторинга машин, т. е. наблюдения за их техническим состоянием — наиболее эффективное средство снижения затрат при переходе на техническое обслуживание машин и оборудования по их фактическому состоянию. При этом экономия в среднем по статистическим данным развитых стран мира составляет около трети затрат на ремонт и обслуживание. И это без учета такого важного фактора, как снижение вероятности крупных аварий с тяжелыми последствиями для окружающей среды.

Все это данные прошлых лет. Новое поколение систем мониторинга с активным подключением диагностики дает более высокие результаты. Во-первых, из-за снижения стоимости этих систем, использующих компьютерную технику с высокой степенью интеграции. Во-вторых, из-за все возрастающих возможностей компьютерной диагностики машин и оборудования. Основная информация о возможностях систем мониторинга и диагностики нового поколения изложена ниже.

Современная система мониторинга и диагностики включает в себя четыре составные части: ;

— средства измерения и анализа сигналов,

— средства мониторинга,

— средства диагностики,

— средства технического обслуживания.

Такая система поставляется, как правило, не заводом-изготовителем машин и оборудования, а специализированной фирмой, владеющей методиками мониторинга и диагностики и выпускающей под эти методики необходимые технические средства. Заводы-изготовители наиболее ответственных машин при их создании могут или кооперироваться с подобными фирмами, выполняя их требования по монтажу средств измерения, или комплектовать машины простыми средствами аварийной защиты (средствами защитного мониторинга), чаще всего объединенными в одну систему со средствами автоматического управления. Используемые специализированными фирмами методики часто содержат различного вида ноу-хау, поэтому выбор системы мониторинга обычно начинается с оценки их возможностей по следующим показателям:

— полнота обнаружения нештатных ситуаций,

— минимальное время от обнаружения дефекта до аварийной ситуации,

— вероятность ошибок при принятии ответственных решений,

— объемы и сложность измерений и средств для их проведения.

Но не менее важными вопросами, часто выпадающими из поля зрения, являются особенности перехода от обнаружения нештатной ситуации к определению ее вида и степени опасности, т. е. перехода от мониторинга к диагностике. Поскольку на практике каждая современная система мониторинга имеет элементы систем диагностики, именно эти показатели становятся определяющими.

Специфика используемых в настоящее время методик мониторинга и диагностики машин во многом обусловлена историей их развития, что отразилось и на структуре выпускаемых систем. Наиболее фундаментальные исследования по разработке таких методик и систем многие годы проводились в двух областях техники, а именно, в авиации и на флоте, в основном, ведущими странами — США и СССР. В авиации основное внимание уделялось разработке систем защитного мониторинга, предотвращающих развитие аварийной ситуации. На флоте глубоко исследовались вопросы создания систем диагностики и долгосрочного прогноза, причем в силу остроты стоящих там проблем снижения вибрации и шума, основной акцент делался на разработку систем виброакустической диагностики.

1. Комплексная система технического обслуживания

Комплексная система технического обслуживания (ТО) и текущего ремонта локомотивов (ТР) с применением средств контроля и диагностики.

Как известно, в основу существующей планово-предупредительной системы ремонта локомотивов (ППР) заложен регламентированный метод производства ТО и ТР, содержание, периодичность и объемы которых назначают на основе среднестатистических данных о результатах эксплуатации однотипного оборудования. Однако ресурсы последнего имеют значительный разброс, что вызвано отличающимися технологиями и качеством ремонта, а также интенсивностью эксплуатации локомотивов. Как правило, при планово-предупредительной системе ТО и ТР индивидуальные ресурсы деталей, узлов и машин недоиспользуются. Кроме того увеличивается трудоемкость ремонта, а разборки и сборки механического оборудования локомотива без объективной необходимости только ухудшают технические параметры его работы.

Чтобы сократить затраты на содержание локомотивов в эксплуатации, была поставлена задача создать систему ТО и ТР, которая бы учитывала индивидуальное техническое состояние оборудования. Данная система основана на использовании в ремонтной практике средств контроля и диагностики, с помощью которых осуществляется непрерывное или периодическое слежение за параметрами, характеризующими техническое состояние узлов и агрегатов. Решение о необходимости проведения ремонта принимают тогда, когда значение контролируемого параметра достигает предотказового значения.

Для иллюстрации рассмотрим пример контроля технического состояния буксовых подшипников при текущем ремонте ТР-1. Если правила ремонта рекомендуют после прокрутки колесно-моторного блока снять крышку буксового узла и осмотреть подшипник, то прокрутку, согласно разработанной технологии, можно совместить с контролем технического состояния подшипника, например, спектроанализатором. И по результатам контроля дать рекомендации: какие крышки буксового узла необходимо снять для осмотра, а какие в: демонтаже не нуждаются. Основанием для принятия решения в данном случае является сопоставление измеренного и предотказового уровеней виброакустического сигнала. Структурные схемы управления ППР и комплексоной системы производства ТО и ТР с использованием средств диагностики показаны на рис. 2.

Способы реализации методов регламентированного обслуживания и технического обслуживания с учетом состояния оборудования локомотивов поясняет рис. 1и 2 гдеА, В и С — текущие значения контрольных параметров оборудования в моменты времени Т1,.Т2 и ТЗ; Р1, Р2 и РЗ — назначенные ремонты. Для метода регламентированного обслуживания ремонт назначают в зоне 0 — П1. где П1 — предельный уровень (вне зависимости от значения П строго по пробегу локомотива в соответствии с заданной периодичностью). Для метода ТО и ТР, учитывающего техническое состояние с помощью контроля параметров, вводится показатель П2 — предотказовый уровень. При значении, П>П2 для контролируемого узла или агрегата назначают ТО или ТР, а если П<�П2, то техническое состояние считают удовлетворительным и ремонт, не осуществляют. Величина П=П1-П2 определяет «упреждающий» допуск.

Рисунок 1 — Структура назначения ремонта по методу контроля параметров оборудования Рисунок 2 — Структура назначения ремонта по методу регламентированного обслуживания Данный метод является развитием, планово-предупредительного, так как периодичность и объем работ планируют. по результатам технического диагностирования. Исходную информацию о техническом состоянии оборудования получают измерением его функциональных и диагностических параметров на ТО и ТР локомотивов.

Выход любого параметра за нормированный допуск является основанием для принятия решения. о необходимости производства ремонтных операций.

Для метода ТО и ТР. информационной основой которого являются результаты анализа технического состояния оборудования, важно определить состав диагностируемых параметров, а также «упреждающие» допуски, периодичность контрольных операций. Метод обладает бесспорными преимуществами, поскольку позволяет определять техническое состояние без разборки оборудования, распознавать неисправности на ранней стадии их возникновения.

Рисунок 3 — Структурные схемы уровней управления планово-предупредительной и комплексной системой ТО и ТР

Таблица 1.1 — Основные этапы перехода к системе ремонта электровозов с учетом технического состояния, определяемого с помощью средств диагностики и контроля

Внедрение средств контроля и диагностики в технологический процесс ремонта локомотивов является инструментом для совершенствования системы их технического содержания в эксплуатации. Создание информационной базы о параметрах, характеризующих техническое состояние узлов и, агрегатов, влияющих на ресурс локомотива, дает возможность формировать объем работ и реально управлять техническим состоянием локомотивного парка.

Разработанный проект комплексной. системы технического содержания локомотивов предусматривает сочетание одновременно двух основных принципов технического обслуживания локомотивов — с учетом фактического технического состояния и по плановому регламенту. Внедрение комплексной системы ТО и ТР состоит из трех этапов (см. табл. 1)., На первом планируется. использование средств контроля и диагностики для проверки оборудования локомотива после ремонта или в случае определения места и характера отказа при устранении неисправности на неплановом ремонте. Для этого рассматривают структуру ремонтного цикла, объемы работ, затраты по видам ремонта. Проводят углубленный анализ порч и неисправностей оборудования, выявляют наиболее слабые узлы и детали. По результатам анализа технико-экономических данных намечают текущий план мероприятий для внедрения комплексной системы ТО и ТР локомотивов.

На втором этапе технико-экономическим анализом или экспертным методом для данного депо; определяют узлы или агрегаты, состояние которых ограничивает увеличение наработки локомотивов данной серии между ТР-1, ТР-2 и ТР-3, а также элементы, отказы которых вызывают наибольшие экономические потери. Разрабатывают технологические карты контроля узлов и машин с применением средств технической диагностики. Осуществляют комплектацию диагностического комплекса текущего ремонта локомотивов по видам оборудования: механического, электрического, вспомогательных машин и др.

На третьем этапе для каждого локомотива составляют электронный паспорт, включающий сведения о техническом состоянии оборудования по результатам диагностирования. Эти паспорта вводят в базу данных технического состояния всего локомотивного парка, используя специальные программы Для персонального компьютера. На основании результатов диагностирования перечень работ для конкретного локомотива может быть не только увеличен (по сравнению с базовым, соответствующим правилам ремонта), но и уменьшен, если величина остаточного ресурса оборудования позволяет эксплуатировать его до следующего ТР. Примерная программа работ, сопровождающих внедрение комплексной системы ТО и ТР. представлена на рис. 3.

Первичная информация, накапливаемая в период испытаний, включала в себя сведения из учетных и отчетных форм ТУ-29,ТУ-17 и ТХО-5, а также ведомостей и журналов. Кроме информации об отказах, для электровозов опытной и контрольной групп собирались данные об их наработке от начала опытной эксплуатации и за каждый месяц в течение периода наблюдений. Были рассчитаны суммарные пробеги локомотивоч, построена реализация межремонтных пробегов по каждому электровозу, определены средние значения параметров потока отказов. Ни основании этих расчетов проведен анализ экономического эффекта от применения средств контроля и диагностики для групп электроеэзов с пробегами до ТР-1 25 и 30 тыс. км.

Внедрение комплексной системы технического обслуживания и текущего ремонта подвижного состава с применен средств технической диагностики и контроля позволяет: снизить затраты на устранение отказов локомотива при неплановых ремонтах; сократить расходы на проведение ТО и ТР .(вследствие изменения их периодичности и уменьшения объема работ); снизить потери с простоя локомотивов на ТО и ТР; сократить удельный расход электроэнергии на тягу поездов Однако, существующие в настоящее время технические средства разрабатывались независимо многими разработчиками, бессистемно. Что в результате не позволяет создать комплексную структуру диагностирования локомотива Также выяснилось, что существующие программные средства подвержены тем же недостатку. Тем не менее на основе современных информационных технологий возможно исправить сложившиеся положение.

В связи с этим была разработана следующая схема совершенствования системы ремонта с использованием современных вычислительных машин.

Рисунок 4 Схема совершенствования системы ремонта локомотивов с использованием современных вычислительных машин Данные, получаемые в результате диагностики, имеют различное представление. К сожалению реализация спецификации языка SQL связана с большими человеко-машинными затратами, поэтому необходимо преобразование данных, представленные в любом формате, к некоему общему виду.

Для обработки этих данных и выдачи рекомендаций по коррекции технического состояния электровоза предложена следующая структура базы знаний:

В данной базе существуют концептуальные знания Rs — о техническом состоянии (ТС) узла, Ra — о мерах по его улучшению, эпизодические знания Rr, содержащие данные о изменении ТС.

На основе вводимого в дальнейшем измененного вектора технического состояния определяется эффективность принятых мер.

Также проведен анализ надежности информационных потоков в депо и предложена методика рационализации объема обрабатываемых данных.

Поскольку информацию об отказах обрабатывают и используют различные отделы, возникает проблема разработки такой формы данных, которая удовлетворяла бы разным требованиям. Так, информацию об отказах в эксплуатирующих подразделениях стремятся использовать для анализа нарушения правил эксплуатации, чтобы исключить повторение таких нарушений. Для этого в первичном сообщении необходимо иметь информацию о характере допущенной ошибки, условиях ее совершения, квалификации работника, допустившего нарушение, и. т.д.

Также необходима автоматизация ремонтного процесса.

Цель функционирования оперативного планирования (ОП) — планомерная организация ритмичной работы (и ее поддержание) по выполнению программы ремонта локомотивов при соблюдении директивных сроков.

Комплекс решаемых ОП функциональных задач представлен тремя блоками:

— Объемного планирования — сводится к расчету производственных программ депо, цехов, участков, бригад и обоснованию их объемными расчетами загрузки оборудования и ремонтных участков

— Календарного планирования — построение совокупности взаимоувязанных сроков в виде календарных графиков производства и ремонта

— Оперативного планирования — разработка пятидневных и сменных (суточных) заданий цехам, участкам, бригадам; оперативный учет, контроль исполнения заданий, регулирование хода производства и ремонта.

В элементный состав ОПП входят:

1.Людские ресурсы — административно-управленческий аппарат заводских и цеховых служб

2. Материальные ресурсы

3. Технические средства

4. Экономико-математические методы — логико-математические и эвристические методы, машинные программы решения задач

5 .Информационное обеспечение — спецификация изделий, карты технологических процессов, нормы трудоемкости, календарноплановые нормы.

В организационном аспекте ОПП имеет трехуровневую структуру:

— На деповском уровне;

— На цеховом уровне;

— На участковом уровне.

2. Статистическая обработка данных, расчет надежности

2.1 Сбор данных и статистическая обработка износа МОП

Данные выбирались из журналов ремонта для серии локомотивов ВЛ-80т

Составим интервальный ряд распределения

Таблица 2.1 — Интервальный ряд распределения отказов

Проверим достаточность размера выборки.

Размер выборки объективно регламентируется средним значением и рассеиванием среднего параметра. Чем больше разброс исследуемого параметра, тем больше должен быть размер выборки для получения достоверного результата.

Сначала необходимо получить предварительные данные о характере изменений исследуемого параметра от его среднестатистического значения. Необходимо проверить, что n? Nmin, т. е. что выбран достаточный размер выборки, где n — общее число отказов;

Nmin — минимальный размер выборки.

Определим среднее значение размера выборки по выражению:

(1)

где k — число интервалов;

xi — среднее число параметра в интервале;

Ni — число значений в интервале.

мм.

Определим рассеяние исследуемого параметра, как основное среднеквадратичное отклонение, которое определяется по выражению:

где n — общее число наблюдений, т. е. отказов.

На основании среднеквадратического откланения и среднего значения можно определить меру изменчивости исследуемого параметра по формуле:

(3)

.

Если допустить в оценке размера возможную ошибку = 5, то тогда по монограмме рисунок 1.1 можно проверить достаточность объема выборки n. Для этого сначала определим отношение

(4)

По монограмме определяем Nminразмер выборки.

По выражению n? Nmin определяем достаточность объема выборки:

Неравенство выполняется, следовательно объем выборки достаточен.

Рисунок 5 — График минимально допустимых чисел измерений Nmin в зависимости от f

2.2 Расчет параметров надежностии надежности МОП

Значение этой функции можно найти по опытным или эксплуатационным данным. Эта функция показывает, что за определенный пробег не наступит отказа.

Пусть N — число локомотивов, за которыми ведется наблюдение, т. е. эксплуатируемый парк, а n (S) — число локомотивов, которые отказали по причине неисправности системы отопления вагонов. Тогда вероятность безотказной работы определим по формуле:

(5)

Определим вероятность безотказной работы для каждого интервала пробега по формуле:

;

Для остальных значений расчет произведем аналогичный данные занесем в табл.2.2

Таблица 2.2 — Вероятность безотказной работы

Для описания функции надежности аналитически необходимо достоверно установить закон распределения случайной величины.

Соответствие эмпирического распределения, выбранному теоретическому, проверяется при помощи какого-либо критерия согласия, например, .

Проверка соответствия эмпирического распределения теоретическому В результате первоначальной обработки данных мы предположили, что случайная величина распределена по нормальному закону, об этом свидетельствует внешний контур гистограммы. Проверим согласованность эмпирического распределения с теоретическим, с помощью критерия согласия

(6)

где mi — число отказов на i-м промежутке;

рi — вероятность этих поломок.

В случае малого значения можно считать, что функция хорошо описывает случайную величину. Эта величина должна быть меньше граничного значения, которая определяется по методической литературе при соответствующем уровне значимости и числу степеней свободы.

Предположим, что уровень значимости q=5%=0,05. Число степеней свободы определим по выражению:

l=r-3 (7)

где rчисло интервалов, r=6.

l=6−3=2.

По уровню значимости равным 0,005 и числу степеней свободы равным 2 определяем :

=7,8.

Рассчитаем теперь экспериментальное значение. Теоретические вероятности вычислим, исходя из предположения, функция распределена по нормальному закону:

(8)

где Ф — табличное значение интеграла Гаусса от функции Лапласа;

— среднее значение выборки,;

— среднеквадратичное отклонение;

хi — участок, на котором ведется наблюдение.

По результатам расчетов экспериментальное значение критерия согласия =5,831, в то время как =7,8.

В соответствии с неравенством >, можно сделать вывод о том, что опытные данные соответствуют принятому нормальному закону распределения случайной величины.

Следовательно, для описания функции надежности аналитически можно воспользоваться нормальным законом распределения, точнее так называемым «усеченным» законом:

(9)

где, а — математическое ожидание, а=14 460 км;

— среднеквадратичное отклонения, =1156 км.

Вероятность отказа определим по формуле:

Q (S)=1-P (S), (10)

Q (6)=1−0,92=0,08;

Q (10)=1−0,92=0,08;

Q (14)=1−0,85=0,15;

Q (18)=1−0,38=0,62.

Вероятность отказов представляет собой эмпирическую функцию распределения случайной величины S-пробега до первого отказа. Необходимо получить аналитическое выражение этой функции, оно имеет вид:

(11)

где Ф (х) — табличное значение интеграла Гаусса от функции Лапласа;

— величина пробега с наибольшей вероятностью отказа;

lпред — величина пробега с наибольшей вероятностью отказа с учетом среднеквадратичного отклонения, определяется по формуле:

(12)

lпред=14 460+3*1156=17 928 км.

Используя справочные данные, определяем значение интеграла Гаусса от функции Лапласа при Ф (3)=0,9973 определяем вероятность параметрических отказов:

Вероятность отказа ничтожно мала. Что еще раз подтверждает правильность выбранной функции и доказывает, что закон распределения является нормальным.

Частота отказов Размер выборки достаточен поэтому производим расчет параметров надежности.

По виду определяем приближенно закон по который описывает данный график. В нашем случае подходит (усеченный) нормальный закон. Тогда

(13)

где a — математическое ожидание;

— основное отклонение.

Определим среднее время безотказной работы. После установления функции надежности Р (t) можно определит Q (t) — функцию распределения случайной величины Т — времени безотказной работы .

Средним временем безотказной работы или средней наработкой до первого отказа называется математическое ожидание Т0:

По опытным данным среднее время безотказной работы вычислим приближенно для больших N:

(14)

Где N — число однородных элементов, за которыми ведется наблюдение;

Т1, Т2, …, ТN — время работы каждого из этих элементов до отказа.

Частота отказов Частота отказов это плотность распределения времени работы элемента до отказа:

(15)

Где — первая производная от функции

Значение функции а (t) по опытным данным вычисляется по формуле:

(16)

где — число отказавших элементов на отрезке времени

Для 1 участка времени Для остальных участков расчет произведем аналогично, данные приведем в табл. 2.2

Таблица 2.2 — Частота отказов

Средняя частота отказов за отрезок времени t может быть определена по выражению.

(17)

где N — число установленных деталей

n — число отказавших деталей

.

Интенсивность отказов Интенсивность отказов равна отношению частоты отказов a (t) к вероятности безотказной работы за время t

(18)

Функцию называют также опасностью отказа. Она имеет следующий вероятностный смысл: это есть вероятность отказа в момент времени t, вычисленная с предположением, что элемент работал без отказа до этого момента времени.

Для 1 участка: для других участков расчет произведем аналогично, данные заносим в табл. 3

Таблица 2.3 — Интенсивность отказов.

Рисунок 6 — график функции надежности МОП

2.3 Сбор данных и статистическая обработка износа малой шестерни тягового редуктора

Данные выбирались из журналов ремонта для серии локомотивов ВЛ-80т и журнала выкатки КМБ.

Составим интервальный ряд распределения

Таблица 2.4 — Интервальный ряд распределения отказов

Проверим достаточность размера выборки.

Размер выборки объективно регламентируется средним значением и рассеиванием среднего параметра. Чем больше разброс исследуемого параметра, тем больше должен быть размер выборки для получения достоверного результата.

мм.

Определим рассеяние исследуемого параметра, как основное среднеквадратичное отклонение.

На основании среднеквадратического откланения и среднего значения можно определить меру изменчивости исследуемого параметра .

.

Если допустить в оценке размера возможную ошибку = 5, то тогда по монограмме рисунок 1.1 можно проверить достаточность объема выборки n. Для этого сначала определим отношение По монограмме определяем Nminразмер выборки.

По выражению n? Nmin определяем достаточность объема выборки:

Неравенство выполняется, следовательно объем выборки достаточен.

2.4 Расчет параметров надежностии надежности малой шестерни тягового редуктора

Определим вероятность безотказной работы для каждого интервала пробега по формуле:

;

Для остальных значений расчет произведем аналогичный данные занесем в табл.2.2

Таблица 2.5 — Вероятность безотказной работы

Проверка соответствия эмпирического распределения теоретическому В результате первоначальной обработки данных мы предположили, что случайная величина распределена по нормальному закону, об этом свидетельствует внешний контур гистограммы. Проверим согласованность эмпирического распределения с теоретическим, с помощью критерия согласия

l=6−3=2.

По уровню значимости равным 0,005 и числу степеней свободы равным 2 определяем :

=7,8.

Рассчитаем теперь экспериментальное значение. Теоретические вероятности вычислим, исходя из предположения, функция распределена по нормальному закону:

По результатам расчетов экспериментальное значение критерия согласия =7,635, в то время как =7,8.

В соответствии с неравенством > ,

можно сделать вывод о том, что опытные данные соответствуют принятому нормальному закону распределения случайной величины.

Используя справочные данные, определяем значение интеграла Гаусса от функции Лапласа при Ф (3)=0,9968 определяем вероятность параметрических отказов:

Вероятность отказа ничтожно мала. Что еще раз подтверждает правильность выбранной функции и доказывает, что закон распределения является нормальным. Частота отказов.

Для 1 участка времени Для остальных участков расчет произведем аналогично, данные приведем в табл. 2.6

Таблица 2.6 — Частота отказов

Средняя частота отказов за отрезок времени t

.

Интенсивность отказов Для 1 участка:

для других участков расчет произведем аналогично, данные заносим в табл. 2.7

Таблица 2.7 — Интенсивность отказов

Рисунок 7 — График функции надежности малой шестерни тягового редуктора Совершенствование системы ремонта тягового подвижного состава.

В процессе эксплуатации тяговый подвижной состав расходует ресурс надежности, заложенный в его конструкции при проектировании и изготовлении. Снижение уровня надежности в конечном итоге приводит к возникновению отказа. В свою очередь, отказ в эксплуатации может стать причиной аварии или крушения, вызвать нарушения графика движения поездов. Следовательно, необходима система мероприятий, позволяющая поддерживать надежность подвижного состава на необходимом уровне.

С точки зрения науки о надежности, тяговый подвижной состав представляет собой восстанавливаемую и ремонтируемую систему. Это означает, что исправность и работоспособность тягового подвижного состава может поддерживаться в процессе эксплуатации, а при ее потере — восстанавливаться — посредством проведения технических обслуживаний и ремонтов. Производство таких работ должно быть организовано и подчинено определенной системе.

В большинстве локомотивных депо действует система планово-предупредительных технических обслуживаний и ремонтов тягового подвижного состава, представляющая собой комплекс организационных и технических мероприятий, определяющих порядок поддержания локомотивов в технически исправном состоянии, в процессе эксплуатации между очередными плановыми обслуживаниями и ремонтами.

Данная система сформировалась еще при существовании паровозной тяги, а при переходе на тепловозную и электровозную тягу, особенно в начальный период, сохранила ряд характерных особенностей. Например, обслуживание поездов на коротких тяговых плечах, сравнительно небольшие межремонтные пробеги. Постепенное увеличение надежности оборудования и совершенствование конструкции локомотивов, внедрение прогрессивной техники и технологий в ремонтное производство создали тенденции к увеличению межремонтных пробегов. Изыскание резервов увеличения межремонтных пробегов локомотивов является главной проблемой совершенствования планово-предупредительной системы ремонта.

Экономические изменения в России внесли свои коррективы в развитие системы ремонта. Вопросы полного использования всех видов ресурсов (материальных, финансовых, трудовых) в современных условиях становятся все более актуальными.

Одним из перспективных направлений совершенствования системы ремонта является внедрение системы ремонта тягового подвижного состава по его фактическому состоянию. При использовании данной системы, ремонт выполняется только тогда, когда без него невозможна дальнейшая работа локомотива. Но внедрение такой системы возможно только при наличии в локомотивном депо развитой системы технического диагностирования локомотивов. Это определяется необходимостью иметь объективные данные о техническом состоянии тягового подвижного состава, в соответствии с которыми принимаются решения о постановке в ремонт.

При отсутствии достаточной диагностической базы, можно использовать различные методы оптимизации существующей системы ремонта. Оптимизация позволяет существенно повысить технико-экономические показатели. Сущность оптимизации состоит в следующем — составляются три группы уравнений:

связи, математически описывающие систему ремонта;

уравнения, содержащие технико-экономические показатели, связывающие первую группу уравнений с критериями оптимальности;

уравнения, выражающие алгоритм управления системой ремонта.

В качестве критериев оптимальности могут использоваться различные технические и экономические показатели системы или некоторые обобщенные параметры, объединяющие все или часть этих показателей. К критериям оптимальности предъявляется ряд требований: у них должна быть возможность количественной оценки результатов вычислений; они должны иметь количественный смысл. При оптимизации параметров системы технического обслуживания и ремонтов локомотивов, возможно использование следующих критериев оптимальности:

минимума суммарных затрат на плановые и неплановые ремонты элементов с учетом потерь, вызванных задержкой поездов;

обеспечения заданной вероятности безотказной работы в период между плановыми ремонтами;

максимума коэффициента технического использования.

Проведя анализ различных методов оптимизации системы ремонта, можно сформулировать основные принципы, которые должны быть положены в основу разработки методов оптимизации системы технического обслуживания и ремонта локомотивов:

системный подход к решению задачи;

оптимизация параметров системы ремонта с учетом конкретных условий эксплуатации, так как они оказывают существенное влияние на изменение надежности локомотивов в процессе эксплуатации;

использование характеристик надежности узлов и деталей локомотива и вероятностно-статистических методов исследований.

локомотивный подшипник скольжение узел

3. Расчет оптимальных межремонтных пробегов

Для трех узлов электровоза ВЛ80.

Любой рассматриваемый узел может иметь несколько контролируемых параметров и по каждому могут быть определены ресурсы до соответствующих ремонтов. Каждый из ресурсов узла задает условный расчетный элемент, включаемый в структуру ремонтного цикла. Например, бандажа колесной пары локомотива учитывается два ресурса: один — для выполнения его обточки, второй — для смены. Следовательно, в структуру ремонта включаются два условных элемента бандажа колесной пары, каждый из которых имеет свой ресурс.

Данные о ресурсах и затратах на восстановление работоспособного состояния рассматриваемых в примере узлов приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1 — Исходные данные для расчета

Расчет условной оптимальной стратегии ремонта Произведем расчет оптимальных межремонтных пробегов при фиксированном базовом пробеге L1 = 55 тыс. км. Из всех узлов наибольший гамма-ресурс имеет коллектор тягового электродвигателя, составляющий = 725 тыс. км. Следовательно, все вычисления начинаются с данного узла.

Первоначально, соблюдая принцип кратности, вычислим возможные межремонтные пробеги до обточки коллектора тягового двигателя L4 и по формуле (2.1) определим соответствующие им удельные затраты q4 на выполнение 4-й ремонтной операции. Результаты расчета представлены в табл. 3.2.

Таблица 3.2. — Межремонтные пробеги и удельные затраты на восстановление работоспособности малой шестерни

Дальнейшее увеличение межремонтного пробега смены шестерни 715 тыс. км невозможно, так как это приведет к нарушению ограничения по надежности.

Рассмотрим возможные стратегии ремонта для 3-го и 4-го узлов (смена бандажей колесных пар и обточка коллектора тягового электродвигателя) и соответствующие им суммарные затраты на ремонт.

Учитывая принцип кратности, возможны следующие стратегии:

а) L3 = 55 тыс. км;

L4 = 55 тыс. км; 3 = 2.480,00/55 + 1,75 =48,8 руб./тыс. км;

L4 = 110 тыс. км; 3 = 2.480,00/55 + 0,87 = 45,96 руб./тыс. км;

L4 = 165 тыс. км; 3 = 2.480,00/55 + 0,58 = 45,67 руб./тыс. км;

L4 = 220 тыс. км; 3 = 2.480,00/55 + 0,44 = 45,53 руб./тыс. км;

L4 = 275 тыс. км; 3 = 2.480,00/55 + 0,35 = 45,44 руб./тыс. км;

L4 = 330 тыс. км; 3 = 2.480,00/55 + 0,29 = 45,38 руб./тыс. км;

L4 = 385 тыс. км; 3 = 2.480,00/55 + 0,25 = 45,34 руб./тыс. км;

L4 = 440 тыс. км; 3 = 2.480,00/55 + 0,22 = 45,31 руб./тыс. км;

L4 = 495 тыс. км; 3 = 2.480,00/55 + 0,19 = 45,28 руб./тыс. км;

L4 = 550 тыс. км; 3 = 2.480,00/55 + 0,17 = 45,26 руб./тыс. км;

L4 = 605 тыс. км; 3 = 2.480,00/55 + 0,16 = 45,25 руб./тыс. км;

L4 = 660 тыс. км; 3 = 2.480,00/55 + 0,15 = 45,24 руб./тыс. км;

L4 = 715 тыс. км; 3 = 2.480,00/55 + 0,13 = 45,22 руб./тыс. км.

Условной оптимальной стратегией 4-го узла в случае L3 = 55 тыс. км является стратегия, при которой L4 = 715 тыс. км, так как минимальные удельные затраты на ремонт двух узлов составляют 45,23 руб./тыс. км. То есть

= 45,23 руб./тыс. км, при L3 = 55 тыс. км и L4 = 715 тыс. км;

б) L3 = 110 тыс. км;

L4 = 110 тыс. км; 3 = 2.480,00/110 + 0,87 = 24,28 руб./тыс. км;

L4 = 220 тыс. км; 3 = 2.480,00/110 + 0,44 = 22,98 руб./тыс. км;

L4 = 330 тыс. км; 3 = 2.480,00/110 + 0,29 = 22,83 руб./тыс. км;

L4 = 440 тыс. км; 3 = 2.480,00/110 + 0,22 = 22,76 руб./тыс. км;

L4 = 550 тыс. км; 3 = 2.480,00/110 + 0,17 = 22,71 руб./тыс. км;

L4 = 660 тыс. км; 3 = 2.480,00/110 + 0,15 = 22,69 руб./тыс. км;

= руб./тыс. км, при L3 = 110 тыс. км и L4 = 660 тыс. км;

в) L3 = 165 тыс. км;

L4 = 165 тыс. км; 3 = 2.480,00/165 + 0,58 = 15,61 руб./тыс. км;

L4 = 330 тыс. км; 3 = 2.480,00/165 + 0,29 =15,32 руб./тыс. км;

L4 = 495 тыс. км; 3 = 2.480,00/165 + 0,19 = 15,22 руб./тыс. км;

L4 = 660 тыс. км; 3 = 2.480,00/165 + 0,15 = 15,18 руб./тыс. км;

= 15,18 руб./тыс. км, при L3 = 165 тыс. км и L4 = 660 тыс. км;

г) L3 = 220 тыс. км;

L4 = 220 тыс. км; 3 = 2.480,00/220 + 0,44 = 11,71 руб./тыс. км;

L4 = 440 тыс. км; 3 = 2.480,00/220 + 0,22 = 11,49 руб./тыс. км;

L4 = 660 тыс. км; 3 = 2.480,00/220 + 0,15 = 11,42 руб./тыс. км;

= 11,42 руб./тыс. км, при L3 = 220 тыс. км и L4 = 660 тыс. км;

д) L3 = 275 тыс. км;

L4 = 275 тыс. км; 3 = 2.480,00/275 + 0,35 = 9,36 руб./тыс. км;

L4 = 550 тыс. км; 3 = 2.480,00/275 + 0,1 = 9,19 руб./тыс. км;

= 9,19 руб./тыс. км, при L3 = 275 тыс. км и L4 = 550 тыс. км;

е) L3 = 330 тыс. км;

L4 = 330 тыс. км; 3 = 2.480,00/330 + 0,29 = 7,80 руб./тыс. км;

L4 = 660 тыс. км;? 3 = 2.480,00/330 + 0,15 = 7,66 руб./тыс. км;

= 7,66 руб./тыс. км, при L3 = 330 тыс. км и L4 = 660 тыс. км;

ж) L3 = 385 тыс. км;

L4 = 385 тыс. км; 3 = 2.480,00/385 + 0,25 = руб./тыс. км;

= 6,69 руб./тыс. км, при L3 = 385 тыс. км и L4 = 385 тыс. км;

з) L3 = 440 тыс. км;

L4 = 440 тыс. км; 3 = 2.480,00/440 + 0,22 = 5,85 руб./тыс. км;

= 5,85 руб./тыс. км, при L3 = 440 тыс. км и L4 = 440 тыс. км.

Дальнейшее увеличение межремонтного пробега 3-го узла ограничено соответствующим ресурсом = 490 тыс. км.

Следующим шагом расчета оптимальной структуры ремонта является рассмотрение возможных стратегий ремонта 2-го, 3-го и 4-го узлов и соответствующие им суммарные затраты на ремонт.

а) L2 = 55 тыс. км;

L3 = 55 тыс. км; 2 = 3.500,00/55 + 45,23 = 108,87 руб./тыс. км;

L3 = 110 тыс. км; 2 = 3.500,00/55 + 22,69 = 86,33 руб./тыс. км;

L3 = 165 тыс. км; 2 = 3.500,00/55 + 15,18 = 78,82 руб./тыс. км;

L3 = 220 тыс. км; 2 = 3.500,00/55 + 11,42 = 75,06 руб./тыс. км;

L3 = 275 тыс. км; 2 = 3.500,00/55 + 9,19 = 72,83 руб./тыс. км;

L3 = 330 тыс. км; 2 = 3.500,00/55 + 7,66 = 71,3 руб./тыс. км;

L3 = 385 тыс. км; 2 = 3.500,00/55 + 6,69 = 70,33 руб./тыс. км;

L3 = 440 тыс. км; 2 = 3.500,00/55 + 5,85 = 69,49 руб./тыс. км;

= 69,49 руб./тыс. км, при L2 = 55, L3 = 440 и L4 = 440 тыс. км;

б) L2 = 110 тыс. км;

L3 = 110 тыс. км; 2 = 3.500,00/110 + 22,69 = 54,51 руб./тыс. км;

L3 = 220 тыс. км; 2 = 3.500,00/110 + 11,42 = 43,24 руб./тыс. км;

L3 = 330 тыс. км; 2 = 3.500,00/110 + 7,66 = 39,48 руб./тыс. км;

L3 = 440 тыс. км; 2 = 3.500,00/110 + 5,85 = 37,67 руб./тыс. км;

= 37,67 руб./тыс. км, при L2 = 110, L3 = 440 и L4 = 440 тыс. км;

в) L2 = 165 тыс. км;

L3 = 165 тыс. км; 2 = 3.500,00/165 + 15,18 = 36,39 руб./тыс. км;

L3 = 330 тыс. км; 2 = 3.500,00/165 + 7,66 = 28,87 руб./тыс. км;

= 28,87 руб./тыс. км, при L2 = 165, L3 = 330 и L4 = 660 тыс. км;

г) L2 = 220 тыс. км;

L3 = 220 тыс. км; 2 = 3.500,00/220 + 11,42 = 27,33 руб./тыс. км;

L3 = 440 тыс. км; 2 = 3.500,00/220 + 5,85 = 21,76 руб./тыс. км;

= 21,76 руб./тыс. км, при L2 = 220, L3 = 440 и L4 = 440 тыс. км.

Дальнейшее увеличение межремонтного пробега 2-го узла ограничено соответствующим ресурсом = 230 тыс. км.

Последним шагом расчета оптимальной структуры ремонта является рассмотрение возможных стратегий ремонта 1-го, 2-го, 3-го и 4-го узлов и соответствующие им суммарные затраты на ремонт.

а) L1 = 55 тыс. км;

L2 = 55 тыс. км; 1 = 81,60/55 + 69,49 = 70,97 руб./тыс. км;

L2 = 110 тыс. км; 1 = 81,60/55 + 37,67 = 39,15 руб./тыс. км;

L2 = 165 тыс. км; 1 = 81,60/55 + 28,87 = 30,35 руб./тыс. км;

L2 = 220 тыс. км; 1 = 81,60/55 + 21,76 = 23,24 руб./тыс. км.

В результате расчета получено, что условной оптимальной стратегией ремонта рассматриваемых узлов является та, при которой минимальные удельные затраты на их ремонт составили 23,24 руб./тыс. км. То есть это стратегия при которой межремонтные пробеги составили: L1 = 55 тыс. км, L2 = 220 тыс. км, L3 = 440 тыс. км, L4 = 440 тыс. км.

Коэффициенты кратности межремонтных пробегов для рассчитанной стратегии ремонта, согласно выражению (2.4), определятся:

a2 = 220 тыс. км/55 тыс. км = 4;

a3 = 440 тыс. км/220 тыс. км = 2;

a4 = 440 тыс. км/440 тыс. км = 1.

Построение диаграммы возможных стратегий По результатам расчета построим диаграмму возможных стратегий Рисунок 8. Диаграмма возможных стратегий ремонта при L1 = 55 тыс. км ремонта при фиксированном пробеге базового узла

Построение диаграммы производится в следующей последовательности:

по оси ординат откладывается пробег L, тыс. км (ограничивается наибольшим гамма-процентным ресурсом);

по оси абсцисс в произвольном масштабе откладываются ремонтные операции;

для каждой ремонтной операции откладываются ее гамма-процентный ресурс, являющийся ограничением межремонтного пробега для данной операции;

для каждой ремонтной операции откладываются условно оптимальные удельные затраты при различных стратегиях ремонта. Например, для ремонтной операции 4-го узла удельные затраты рассчитаны в табл. 3.2., а в случае совместного рассмотрения ремонтных операций 3-го и 4-го узлов — это удельные затраты при условной оптимальной стратегией 4-го узла в случае фиксированных значений L3;

Линиями обозначаются условные оптимальные стратегии ремонта. Например, условный оптимальный стратегией ремонта 4-го узла в случае L3 = 55 тыс. км, является стратегия, при которой L4 = 715 тыс. км (линия 45,23 — 0,13);

Условная оптимальная стратегия всех рассматриваемых узлов выделяется на диаграмме цветом или толщиной линии.

Построение структуры ремонтного цикла Согласно рассчитанной структуре ремонтного цикла, через каждые 55 тыс. км необходимо осуществлять обточку бандажа колесной пары. Смену вкладышей моторно-осевых подшипников нужно выполнять через каждые 220 тыс. км пробега. Через 440 тыс. км пробега целесообразно выполнять смену бандажа колесной пары и смену шестерни. Представим структуру ремонтного цикла графически Рисунок 9. Рассчитанная структура ремонтного цикла Анализируя полученную структуру ремонтного цикла можно сделать следующее заключение: для поддержания в работоспособном состоянии узлов, включенных в расчет, следует проводить определенным образом чередующиеся между собой ремонты трех видов (объемов). В ремонт первого вида входит только обточка бандажей колесных пар (выполняется через каждые 55 тыс. км пробега). Ремонт второго вида выполняется через каждые 220 тыс. км пробега и включает в себя ремонтную операцию ремонта первого вида и ремонтную операцию, которую необходимо выполнять при наступлении данного пробега, то есть смену вкладышей моторно-осевых подшипников. Аналогично предыдущему, ремонт третьего вида включает в себя ремонтные операции ремонтов первого и второго вида и содержит дополнительно следующие ремонтные операции: смену бандажей колесных пар и смену шестерни .

Сохраняя неизменной полученную структуру ремонтного цикла и увеличивая межремонтный пробег базового узла, получим межремонтные пробеги остальных узлов. При L1 = 56 тыс. км, получим L2 = 224 тыс. км, L3 = 448 тыс. км, L4 = 448 тыс. км, а при L1 = 57 тыс. км — L2 = 228 тыс. км, L3 = 456 тыс. км, L4 = 456 тыс. км. Если при дальнейшем увеличении L1 сохранить неизменной структуру ремонтного цикла, межремонтный пробег второго узла составит L2 = 232 тыс. км, что превышает гамма-процентный ресурс. Следовательно, при L1 = 58 тыс. км изменится схема чередования ремонтов

4. Расчет косозубой передачи

4.1 Расчет на контактные напряжения сдвига косозубой передачи

Исходные данные Давление колесной пары на рельс Q=23 500 кг.

Часовая скорость v=13,3 м/с.

Часовая сила тяги Fч=5637 кг.

Коэффициент сцепления колес с рельсами = 0,36

Диаметр колеса по кругу катания Dk=1250 мм Передаточное число i=4,191

Диаметр начальных окружностей шестерни и зубчатого колеса dш=210,559

dk=997,438

Ширина зубчатых колес В=110 мм Угол зацепления зубчатой передачи as=291 213

Угол наклона зубьев d=243 712

Угол зацепления в нормальном сечении an=20

Действительное межцентровое расстояние А0=604 мм Модули упругости материалов шестерни и зубчатого колеса Еш=Ек=2,1*104кг/мм3

Степень перекрытия s=2,292

Число зубчатых колес на оси к=2

Коэффициент неравномерности кн.р.к=1,55

Расчет производим на часовой и пусковой режимы Часовой режим Определим коэффициент качества.

(19)

Окружное усилие

(20)_

Величина П определяется по формуле А. И. Петрусевича, видоизмененной применительно к тяговым зубчатым передачам.

(21)

где u — коэффициент, характеризующий качество изготовления, Напряжение сдвига

(22)

кг/мм2

Для пускового режима, принимаем v=0, кдк=1

Находим пусковую силу тяги по формуле

(23)

Напряжение сдвига

4.2 Расчет зубьев на изгиб ведущей шестерни

Исходные данные Угол зацепления исходного контура в нормальном сечении ад=20

Диаметр окружности выступов Deш=240мм.

Диаметр окружности впадин Diш=205,82 мм.

Диаметр делительной окружности dдш=218,8 мм.

Радиус выкружки у основания зубьев r=5мм.

Толщина зуба по окружности выступов Se=4.73мм.

Угол давления на окружности выступов

(в торцевом сечении) аes=3716

Угол трения =-8

Толщина зуба по дуге делительной окружности Sдш=21,594 мм.

Угол зацепления передачи в торцевом сечении as=291 213

Модуль в нормальном сечении mn=10мм.

Высота переходной галатели рабочего контура с=2,95

Диаметр давления на окружности опасного сечения зубьев

(24)

Угол давления на окружности опасного сечения зубьев

(25)

Толщина зуба по дуге окружности опасного сечения

(26)

Толщина зуба в опасном сечении по хорде

(27)

Высота зуба до хорды окружности опасного сечения

(27)

.

Угол горизонтальной составляющей Расчетную высоту зуба находим из формулы

(28)

Величину найдем по выражению

(29)

В зависимости от определим величину min

min=0,94

Определим коэффициент формы зуба

(30)

Напряжение изгиба Часовой Режим

(31)

Принимаем кнри=1,8, кп=1,4

Напряжение изгиба ведущей шестерни

(32)

.

При пусковом режиме

v=0

kди=1

5. Диагностика подшипников скольжения

Дефекты, возникающие при изготовлении, монтаже и эксплуатации подшипника скольжения в составе роторной машины, могут оказывать влияние практически на все составляющие вибрации, имеющие разную природу возбуждения.

В первую очередь эти дефекты влияют на свойства сил трения в подшипнике и возбуждаемую ими высокочастотную случайную вибрацию подшипникового узла. Наиболее эффективным методом исследования свойств этой вибрации является спектральный анализ ее огибающей.

При появлении значительных изменений формы поверхностей трения подшипника в результате отклонений от проектной технологии его изготовления и монтажа или вследствие износа этих поверхностей возрастает низкочастотная вибрация ротора и всей машины в целом. Наиболее эффективным методом исследования свойств этой вибрации является ее-спектральный анализ.

Наконец, при дефектах, сопровождающихся полным или частичным разрывом масляного слоя, поверхности трения подшипников испытывают ударное взаимодействие, которое возбуждает вибрацию в широком диапазоне частот. Анализировать свойства вибрации от ударных импульсов можно многими методами, но максимальные результаты дает спектральный анализ огибающей этой вибрации.

Для диагностики подшипников скольжения в программах АО ВАСТ используются методы узкополосного спектрального анализа вибрации и ее огибающей. Первый обеспечивает диагностику по низкочастотной вибрации, второй — по высокочастотной, возбуждаемой силами трения и ударными импульсами.

Особенностью высокочастотной вибрации, возбуждаемой силами тренья или ударными импульсами, является быстрое затухание при распространении от одного узла машины к другому. Поэтому диагностика подшипников по высокочастотной вибрации дает возможность выделить дефектный подшипник из группы установленных в одной машине. В то же время по низкочастотной вибрации можно обнаружить дефекты тех узлов, до которых сложно добраться при проведении вибрационных измерений. Поэтому в список дефектов, обнаруживаемых при диагностике подшипника по низкочастотной вибрации, включаются и те, которые не относятся собственно к подшипнику.