Перестроечные процессы, осуществляемые в настоящее время в Российской Федерации (РФ), вызывают острую необходимость изыскания эффективных путей повышения рентабельности всех отраслей промышленного производства, в том числе и железнодорожного транспорта. В числе приоритетных направлений развития железных дорог России предусматривается значительное повышение интенсивности пассажирских перевозок, динамика прогнозированного развития которых характеризуется рядом объективных особенностей, которые обусловлены, прежде всего, процессами, урбанизации общества, созданием сверхкрупных городских агломерацией, формированием мегаполисов. Транспортные коммуникации крупных городов должны полностью обеспечивать переработку пассажирских потоков в суточные и сезонные пиковые периоды. Кроме того, система организации пассажирских перевозок должна учитывать постоянно возрастающие требования комфортности проезда пассажиров (освещение, вентиляция, отопление, плавность хода и т. п.). В наибольшей степени указанные тенденции могут быть реализованы при широком использовании электрического мотор — вагонного подвижного состава (МВПС). Крупнейшие города РФ имеют развитую сеть пригородного сообщения с достаточно многочисленным парком электропоездов различных серий. Суммарная мощность потребителей электрической энергии на современном МВПС достигает 5500 кВт, из них мощность потребителей, обеспечивающих комфортность условий проезда пассажиров составляет более 10% от полной мощности электропоезда.
Высокая электрооснащенность МВПС обуславливает значительную протяженность проводных и кабельных сетей, а вместе с тем повышенные расходы остродефицитных цветных металлов (меди, свинца, олова), изоляционных кабельных материалов, монтажной гарнитуры, трудовых затрат на монтажные работы. Отличительной особенностью электрических сетей пассажирского подвижного состава является то, что они выполняются двухпроводными (с изолированным минусовым проводом), по этой причине расход кабельной продукции на электрический монтаж резко возрастает. Общая длина проводных сетей в современных видах МВПС превышает 12 км. Техническое состояние проводных сетей во многом определяет уровень эксплуатационной надежности электрического оборудования, а отдельные виды повреждений являются основными причинами возгораний /1/.
Для поддержания подвижного состава в работоспособном состоянии на железнодорожном транспорте предусмотрены ремонтно — профилактические мероприятия, объединенные организационно в единую систему, регламентирующую как периодичность, так и объем восстановительных операций /2/. Сроки проведения и объем каждого вида ремонта должны устанавливаться на основании анализа объективных процессов эксплуатационного старения основных узлов и элементов и обосновываться технико — экономическими расчетами /3/. Однако, в настоящее время объем ремонтных расходов при внедрении в эксплуатацию новых видов подвижного состава предприятиям железнодорожного транспорта, чаще всего, неизвестен, несмотря на то, что средства и соответствующие затраты должны своевременно планироваться и выделяться ремонтно-эксплуатационным предприятиям. Недостаточный объем и глубина известных методологических проработок, направленных на обоснование периодичности ремонтно — профилактических мероприятий, необоснованность норм расхода материалов привели к тому, что затраты на поддержание МВПС в работоспособном состоянии достигли за последнее время недопустимо высоких размеров. По данным отделения экономики ВНИИЖТа, суммарные затраты на техническое содержание и ремонт МВПС за 10 — 15 лет эксплуатации более чем в 4 раза превышают первоначальную стоимость их проектирования и строительства /4/.
Работники железнодорожного транспорта, по мере накопления опыта эксплуатации, разработали немало путей повышения эффективности использования МВПС, совершенствования системы ремонтов, снижения себестоимости технического содержания, что нашло свое отражение в новых формах эксплуатации, крупно агрегатном методе ремонта, внедрении планово — предупредительной и планово — выборочной систем текущих ремонтов и осмотров и т. п.
Правильно организовать эксплуатацию сложной технической системы, какой является современный МВПС, можно лишь в том случае, если при его разработке предприятиям будут известны все показатели эксплуатационной износоустойчивости основных узлов и элементов на всех этапах их существования, т. е., от момента проектирования технической системы до момента полного ее износа в регламентированных условиях эксплуатации. Для получения такой информации необходимо изучить закономерности выработки технического ресурса всех функциональных элементов, входящих в сложную многоэлементную систему, определить лимитирующие узлы, разработать пути улучшения их конструкции, совершенствовать методы расчета и контроля технического состояния /5/.
В диссертации в качестве объекта углубленных исследований выбраны узловые вопросы совершенствования системы технического содержания и периодичности полной замены проводных сетей МВПС. Длительное время сроки службы проводных сетей МВПС не имели научного обоснования, а устанавливались эмпирическими методами проб, т. е. постепенным увеличением продолжительности эксплуатации малыми приращениями, что приводило к необоснованному расходу материальных и трудовых затрат. В настоящее время, благодаря работам /6, 7, 12/, сроки службы электрического оборудования, периодичность проведения крупных ремонтов подвижного состава в значительной степени научно обоснованы и приняты в качестве нормативных в системе МПС РФ. В то же время, объемы и периодичность проведения восстановительно — профилактических работ по электрическому оборудованию и проводным сетям МВПС до сих пор не имеют полного научного обоснования. В значительной мере остаются нерешенными методологические вопросы, касающиеся особенностей механизмов старения кабельной изоляции и функциональных элементов электрических сетей МВПС. Следует заметить, что специалистами кабельной промышленности неоднократно предпринимались попытки создания более совершенных методов расчета проводных сетей, учитывающих специфические условия их эксплуатации. За короткий промежуток времени был опубликован целый ряд работ, в которых нашли отражение отдельные вопросы совершенствования методов расчета и учета эксплуатационных условий работы проводных сетей специального назначения / 8, 9, 10, 11/.
Существенным недостатком указанных работ этого периода является то, что их авторы руководствовались исключительно детерминированными методами, не использовали вероятностные физико — математические модели эксплуатационного старения проводных сетей, не связывали показатели надежности с физическими процессами, определяющими закономерности изменения рабочих свойств функциональных элементов проводных сетей в реальных условиях эксплуатации. В то же время, проведенными рядом авторов исследованиями установлено, что основные, качественные, показатели кабельной продукции являются случайными величинами /12, 13/, а процессы изменений физических свойств конструктивных элементов проводных сетей случайным образом меняются по времени / 14, 15 /, и могут быть аппроксимированы случайными функциями.
Современное состояние промышленности и транспорта вызывают острую необходимость в новом подходе при оценке работоспособности состояния дорогостоящего оборудования, особенно того, которое работает в условиях нестационарных нагрузок. Наиболее значительные проработки на указанном этапе развития теории внесены С. А. Ринкевичем, Х. И. Бракманом, Б. С. Мешелем, А. И. Томазовым, Д. С. Лившицем и др. /16, 17/. Однако для всех работ этого периода характерно недостаточное теоретическое и опытное обоснование исходных принципов и числовых показателей реальных режимов работы сетей. В дальнейшем, благодаря работам Н. П. Афанасьева, Б. В. Гнеденко, С. С. Городецкого, N4.К. Харчева, О. П. Шишкина, Г. М. Каяло-ва и др., достигнут значительный прогресс в вопросе применения вероятных методов расчета. На основе этих исследований разработаны два основных принципа расчетов/18, 19/:
— метод упрощенных диаграмм;
— статистический метод.
В настоящее время теория нагрузок и расчета электрических сетей находит свое дальнейшее развитие. Основные отличительные особенности современного состояния теории состоят в том, что, наряду с широким использованием теории случайных величин, в расчетных моделях находят применение теории случайных процессов и случайных импульсных потоков /20, 21/. Значительные успехи на современном этапе разработок расчетных вероятностных методов достигнуты в области технических систем железных дорог, благодаря исследованиям К. Г. Марквардта, Г. Г. Марквардта, Р. И. Мирошниченко, В. А. Кислякова, P.P. Мамошина, Г. Б. Дурандина и др. /22, 24/.
При расчете электротехнических систем за последнее время широко используется метод выбора расчетного тока нагружения по допустимому пику температуры и тепловому износу изоляции /17, 19/. Однако полностью перенести указанный методологический подход на проводные сети МВПС не представляется возможным, поскольку интенсивность эксплуатационного старения проводов и кабелей обусловлена не только воздействием тепловых нагружений, но и целым рядом других возмущений, активизирующих процесс эксплуатационного старения. Несмотря на очевидный прогресс в смежных отраслях промышленности и транспорта, на протяжении длительного времени методы расчета проводных сетей МВПС не только не претерпевали каких — либо существенных изменений, но по существу длительное время не сформулирована необходимость постановки и решения подобной задачи /12/. Действующие принципы расчета эффективности функционирования проводов и кабелей электрических цепей подвижного состава исходят из условия допустимого избыточного нагрева под воздействием стационарного тока нагрузки, равного длительному току нагрузки, и увеличенного на соответствующую величину за счет введения поправочных коэффициентов /6/. Нестабильность реальных режимов токовых нагружений, возможные изменения температур наружного воздуха в годичном цикле района эксплуатации, влияние неэлектрических видов эксплуатационных возмущений на процесс старения проводных сетей и другие объективные факторы в существующих методах расчета не учитываются. При таком методологическом подходе проектировщикам и работникам эксплуатации неизвестны закономерности выработки технического ресурса основных узлов и элементов МВПС, а поэтому они лишены возможности сбалансировать долговечность взаимосвязанных систем, что значительно снижает эффективность использования капитальных вложений. Сложность совершенствования методов оценки работоспособности проводных сетей МВПС обусловлена также тем, что по своей структуре проводные сети представляют собой многокомпонентную, диффузную систему с несбалансированным уровнем физического ресурса составных элементов, с недостаточно отработанной их конструкцией, тем, что эксплуатационные нагрузки, воздействующие на провода, являются случайными функциями, для исследования которых требуется большой объем экспериментальных данных и трудоемкие методы обработки.
В диссертационной работе выдвигается принципиально новый методологический подход к организации эффективного использования проводных сетей пассажирского МВПС на всех стадиях их функционирования, включая период активной эксплуатации при оптимальной организации проведения мероприятий технического содержания. Применение кинетической теории развития химических процессов позволило разработать новый принцип оценки работоспособного состояния проводных сетей подвижного состава, исходным условием которого является возможность прогнозирования заданного уровня их надежности с учетом климатических условий ожидаемого участка эксплуатации, многофакторных эксплуатационных возмущений, особенностей монтажа и условий теплообмена. В основу нового метода взяты исходные положения д.т.н., профессора Дурандина Г. Б. /24, 25/:
— о допустимости применения вероятностных моделей теории случайных функций для описания процессов эксплуатационного старения проводных сетей;
— о возможнос ти технико — экономического обоснования уровня допустимой вероятности повреждений на основе минимизации суммарных расходов;
— о возможности отождествления степени разрушения проводных сетей с длительностью воздействия тепловых и механических нагружений.
Разработанный метод создал теоретические предпосылки для получения количественной оценки допустимого уровня безотказной работы проводных трасс на всех стадиях их эксплуатации, установления оптимальных сроков и проведения ремонтно — восстанови гельных операций, выявления лимитирующих элементов, вскрытия резервов нагрузочной способности проводных сетей пассажирского МВПС и тем самым повышения эффективности использования дефицитных материалов, снижения материальных и трудовых затрат на техническое содержание проводных сетей. В процессе практического применения разработанного метода использован поэлементный подход при оценке случайных функций старения. Это вызвано тем, что проводные сети современных серий МВПС представляют собой сложную техническую систему, состоящую из нескольких основных элементов, таких, как токопроводящие медные жилы, участки оконцовки (наконечники), электрическая изоляция, защитная покровная изоляция и др. Каждый элемент имеет свое назначение и выполняет присущие ему функции. Однотипные элементы, расположенные на различных участках монтажной трассы, в силу условий крепления и укладки проводов воспринимают не одинаковые по структуре и интенсивности эксплуатационные нагрузки. Поэтому выработка технического ресурса элементов в таких условиях происходит неравнозначно. Отсюда вытекает необходимость дифференцированного подхода к оценке надежности и долговечности не только по основным элементам, но и по характерным участкам монтажной схемы. Подобная модель анализа износоустойчивости проводных сетей подвижного состава до сих пор в практике исследований не применялась и реализуется впервые.
В ряде работ /2, 3, 6/ справедливо указывается на объективную необходимость количественного роста промышленного производства технических.
10 изделий, расширения их ассортимента, повышения качества выпускаемой продукции. Однако проблема стабилизации статистических показателей эксплуатационных свойств на современном этапе развития имеет не менее важное народнохозяйственное значение, чем количественный рост их промышленного производства. Поэтому в данной работе, наряду с другими задачами, рассматривается вопрос количественной оценки влияния отдельных эксплуатационных факторов на показатели статистического разброса долговечности и износостойкости основных элементов проводных сетей, определяются пути стабилизации процесса эксплуатационного старения кабельных изделий. Проведенный анализ состояния вопроса дает основание заключить, что применяемые в практике проектирования и эксплуатации подвижного состава методы оценки эффективности функционирования проводных сетей, основанные на статистических детерминированных моделях, не отражают принципиальных особенностей физического процесса эксплуатационного старения проводов, не отвечают современным требованиям эксплуатации, не способствуют эффективному использованию остродефицитных материалов.
Для решения проблемы совершенствования системы ремонта, эксплуатации, проводных сетей МВПС, в диссертационной работе предложенный новый поэлементный методологический подход, который позволил вскрыть значительные резервы снижения капитальных и эксплуатационных расходов, повысить эффективность использования капитальных вложений, получить экономию остродефицитных материалов, что в своей совокупности обуславливает успешное решение важной народнохозяйственной проблемы.
Выводы к разделу 4.
1. Проведенные исследования позволили обосновать не только возможность, но и целесообразность применения на подвижном составе железнодорожного транспорта способа холодной опрессовки наконечников на нелуженую медную жилу проводов и кабелей. Переход на новую, более прогрессивную технологию оконцевания проводных сетей способствует повышению эффективности их функционирования, снижению трудовых затрат на электрический монтаж, дает экономию дорогостоящих цветных металлов, улучшает санитарно-гигиенические условия труда.
2. Разработанный способ ремонта кабельной изоляции с использованием жидких самовулканизирующих каучуков открывает возможность увеличить сроки службы проводных сетей на лимитирующих участках как минимум на 5 — 6 лет.
3. Предложенный комплекс мероприятий по совершенствованию текущего контроля технического состояния лимитирующих элементов значительно упрощает процесс контрольных измерений, повышает достоверность и информативность контроля, снижает трудоемкость измерительных операций.
4. Разработанный методологический подход научного обоснования допустимых уровней электрического сопротивления изоляции двухпроводных сетей позволил установить наличие зон потери чувствительности в существующих системах контроля, а также обосновать предельные уровни снижения электрического сопротивления двухпроводных сетей из условий безопасного прикосновения обслуживающего персонала.
Заключение
.
1. Результаты проведенных исследований позволили сформулировать и научно обосновать новые научные подходы совокупность которых составляет основу решений актуальной научно-практической проблемы по оптимальному выбору параметров надежности, оценке остаточного ресурса проводных сетей МВС, выбору целесообразных вариантов их функционирования, повышению работоспособности функциональных узлов и элементов.
2. В работе предложена новая структурная классификация сложных электрических сетей различного назначения, выявлены функциональные элементы, участки, лимитирующие длительную работоспособность и надежность проводных сетей МВСразработана расчетная модель оценки эффективности функционирования сложных электрических сетей, предложены малозатратные пути повышения и восстановления их работоспособности.
3/'Доказана необходимость и разработана методика расчета структурной надежности проводных сетей, как технической системы, состоящей из отдельных групп функциональных элементов с разным уровнем надежности, при этом уровень структурной надежности служит основой при выборе оптимального варианта их функционирования на этапе эксплуатации.
4. На основе экспериментальных исследований высокой представительности и статистической достоверности оценены вероятностные границы фазового пространства нагружений, установлена количественная степень влияния отдельных составляющих вектора эксплуатационных нагружений на процесс старения каждой группы функциональных элементов.
5. Решена задача поиска ресурсосберегающих способов частичного ремонта кабельной изоляции на ограниченной длине провода на основе использования самовулканизирующихся каучуков (наиритов), предложены простые для реализации способы оценки остаточного ресурса функциональных элементов проводных сетей.
6. Решена теоретическая и практическая задача выбора расчетной модели, позволяющая находить оптимальные варианты выбора продолжительности эксплуатации сложных транспортных систем, состоящих из элементов разной устойчивости к воздействию эксплуатационных факторов.
7. Разработана новая расчетная модель оценки технического состояния двухпроводных электрических сетей пассажирского подвижного состава с учетом требований электробезопасности пассажиров и обслуживающего персонала. Предложены пути совершенствования токовой и потенциальной защиты электрических двухпроводных сетей.
8. Внедрение результатов исследований в систему эксплуатации и ремонта МВС на сети дорог РФ позволит снизить ремонтно-эксплуатационные расходы по МВС на 8−10%.
