автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Методы обоснования нормативов межремонтной наработки грузовых вагонов

На правах рукописи

ш

Петров Сергей Владимирович

МЕТОДЫ ОБОСНОВАНИЯ НОРМАТИВОВ МЕЖРЕМОНТНОЙ НАРАБОТКИ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005543223

11 ДЕК 2013

Москва-2013

005543223

Работа выполнена в Открытом исследовательский институт (ОАО «ВНИИЖТ»)

акционерном обществе «Научно-железнодорожного транспорта»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Устич Петр Андреевич, профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» МИИТ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Самошкин Сергей Львович, руководитель испытательного центра ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения»

Ведущая организация:

кандидат технических наук Бомбардиров Андрей Петрович, доцент кафедры «Нетяговый подвижной состав» РОАТ МИИТ

Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС)

Защита диссертации состоится «25» декабря 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 218.002.01 при Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ») по адресу: 107996, Москва, 3-я Мытищинская ул., 10, зал Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИЖТ».

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета института, а также по e-mail: uchsovet@vniizht.ru. факс. 8(495)602-80-20, 8(495)687-64-56.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., доцент

Д.В. Ермоленко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Возникновение конкурентной среды в области вагоностроения связано с переходом экономики России на рыночные отношения. В этих условиях наблюдаются повышенные темпы обновления модельного ряда грузовых вагонов. За последнее время общая численность моделей вагонов превысила одну тысячу, а моделей тележек приближается к сорока единицам. При этом вагоны новых моделей различаются между собой конструктивным исполнением, применяемыми в конструкции материалами, а также техническими и технико-экономическими характеристиками (грузоподъемность, масса тары, конструкционная скорость, осевая нагрузка, динамическое воздействие на путь, межремонтные нормативы).

Комитетом Некоммерческого Партнерства «Объединение производителей железнодорожной техники» (НП «ОПЖТ») по координации производителей грузовых вагонов и их компонентов установлены инновационные признаки, определяющие конкурентные преимущества новых моделей грузовых вагонов. В отношении нормативов межремонтной наработки вагонов (межремонтных нормативов) к ним относятся:

- пробег от постройки и капитального ремонта до первого деповского ремонта не менее 500 тыс. км (срок - не менее 4 лет).

- межремонтный пробег между деповскими ремонтами не менее 250 тыс.км (срок — не менее 2 лет).

В настоящее время задача научного обоснования указанных межремонтных нормативов обладает первостепенной значимостью. Под межремонтными нормативами понимаются календарный срок эксплуатации вагонов и пробег в межремонтном периоде, заявленные производителем в конструкторской документации на вагоны.

В условиях рыночных отношений резко возрастает необходимость объективной оценки соответствия межремонтных нормативов требованиям надежной и безопасной эксплуатации вагонов с учетом экономической эффективности. С этой целью необходимо руководствоваться единым

методологическим подходом при обосновании межремонтных нормативов для любых вновь создаваемых моделей грузовых вагонов, не имеющих аналогов в отношении новизны конструктивного исполнения и применяемых материалов конструкции. Данный подход должен выступать в качестве универсального механизма, обеспечивающего эффективное внедрение новых вагонов на сети железных дорог в условиях интенсивного обновления их модельного ряда.

Объект исследования: система технического обслуживания и ремонта грузовых вагонов.

Предмет исследования: нормативы межремонтной наработки грузовых вагонов в системе технического обслуживания и ремонта.

Цель диссертационной работы: разработка комплекса взаимосвязанных методов для расчетного обоснования рациональных нормативов межремонтной наработки грузовых вагонов с учетом обеспечения их надежной и безопасной эксплуатации.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Предложен подход к определению требуемого числа объектов испытаний (вагонов/составных частей). Данный подход является наиболее перспективным на практике для обоснования требуемого числа испытываемых вагонов, опыт эксплуатации которых отсутствует на территории Российской Федерации и всем «пространстве колеи 1520мм», т.к. не требует наличие априорной информации о законе распределения наработки до отказа.

2. Разработан метод расчета показателя «вероятность безотказной работы» и обоснования межремонтных нормативов вагонов на его основе. Действие метода распространяется на их внезапные отказы. Отличительная особенность метода заключается в том, что при сопоставлении нормативного и фактического значений вероятности безотказной работы вагонов существует возможность подбора рациональных значений рисков потребителя и поставщика, что обеспечивает гибкий подход к взаимодействию производителя и владельца вагонов в условиях рыночных отношений при осуществлении купле - продажи вагонной продукции.

3. Разработан метод расчета показателя «гамма - процентная наработка до отказа» и обоснования межремонтных нормативов на его основе. Действие метода распространяется на постепенные отказы вагонов (составных частей) и направлено на определение их остаточного ресурса по результатам контроля технического состояния вагонов, что позволяет прогнозировать величину наработки вагона, по истечению которой его изнашиваемые составные части достигнут предельно Допустимого состояния.

4. Предложен метод расчета показателя «средняя наработка на отказ» и определения рациональных величин межремонтных нормативов. Данный метод базируется на информации автоматизированных систем вагонного хозяйства об отцепках вагонов в текущий ремонт и их причинах. Для обоснования рациональных величин межремонтных нормативов применен критерий определения наработки вагона, соответствующей минимуму затрат на его содержание и ремонт (текущий, плановый). В данный критерий автором обоснованно включены только те виды затрат, которые влияют на величину оптимальной наработки вагонов, что позволяет на практике упростить процедуру определения их рациональных межремонтных нормативов.

5. Разработаны требования к функционированию информационных систем вагонного хозяйства в задаче формирования представительной выборки вагонов для сбора объективной информации об изменении их технического состояния в эксплуатации.

Методы исследований и достоверность результатов. Результаты работы базируются на обоснованном применении научных методов. К ним относятся: методы теории надежности, теории вероятностей и математической статистики, теории решения экстремальных задач, вероятностные методы выборочного контроля, статистические методы анализа и планирования экспериментов.

Научную новизну диссертации представляют следующие результаты:

1. Подход к определению требуемого числа объектов испытаний (вагонов/составных частей) на основе биномиального закона распределения числа отказов в выборке ограниченного объема, который:

- обеспечивает меньший объем испытаний при заданной точности и достоверности по сравнению с таблицами достаточно больших чисел;

- не требует наличия априорной информации о виде и параметрах закона распределения наработки до отказа объектов испытаний;

- не зависит от заблаговременного установления числовых значений рисков потребителя и поставщика в отличие от существующего подхода.

2. Подход к установлению числовых значений рисков потребителя и поставщика, позволяющий подбирать их рациональные значения по результатам испытаний в отличие от существующего подхода.

3. Описательная технология и блок-схема алгоритма формирования представительной выборки вагонов на основе информационных систем для сбора объективных сведений об изменении их технического состояния.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Подход к определению требуемого числа объектов испытаний (вагонов/составных частей) на основе биномиального закона распределения, обеспечивающий меньший объем испытаний при заданной точности и достоверности, не требующий информации о виде и параметрах закона распределения и не зависящий от значений рисков потребителя и поставщика.

2. Комплекс взаимосвязанных методов расчета показателей и методов обоснования межремонтных нормативов на их основе, необходимый для оценки надежности, безопасности и экономической эффективности эксплуатации вагонов в межремонтном периоде. В качестве показателей приняты: вероятность безотказной работы за требуемый период времени (пробег), гамма-процентная наработка до отказа и средняя наработка на отказ.

3. Описательная технология и блок-схема алгоритма формирования представительной выборки вагонов на основе информационных систем для сбора объективных сведений об изменении их технического состояния.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты применяются в практической деятельности при проведении обследования технического состояния опытных вагонов модели 12-9853.

Результаты диссертационной работы послужили основой при разработке:

- «Типовой программы по организации и проведению подконтрольной эксплуатации новых моделей грузовых вагонов и их составных частей», утвержденной Президентом НП «ОПЖТ» В.А. Гапановичем согласно решению Комитета по координации производителей грузовых вагонов и их компонентов (Протокол №23 от 04 октября 2013г., г. Харьков);

- «Типовой методики организации и проведения подконтрольной эксплуатации новых моделей грузовых вагонов и их составных частей»;

- «Методических рекомендаций по оценке и нормированию риска возникновения внезапных отказов грузовых вагонов».

Типовая методика, методические рекомендации согласованны Комиссией Совета по железнодорожному транспорту (Протокол №55 и №56, 2013г.).

Акт внедрения приведен в приложении к диссертации.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 10-й научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, МИИТ, 2010г.); на конференции ученых ОАО «ВНИИЖТ» (Москва, 2011г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 научных работ в виде статей и докладов. Из них три публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Публикации без соавторов - 3.

Диссертация состоит из введения, трех глав с выводами по каждой главе, заключения, списка литературных источников из 123 наименований и двух приложений. Общий объем работы составляет 149 страниц, включая 124 страницы основного текста, 16 рисунков, 8 таблиц, приложения на 3 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель, соответствующие задачи, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

7

В первой главе установлена необходимость разработки системного подхода к обоснованию межремонтных нормативов грузовых вагонов. С этой целью в главе проведен анализ этапов совершенствования их системы технического обслуживания и ремонта, результаты которого свидетельствуют о возникновении в условиях рыночных отношений принципиально нового подхода к построению системы ремонта и регулированию взаимоотношений между субъектами железнодорожного транспорта. Предложенный автором подход к решению вышеуказанной задачи выступает в качестве универсального механизма, направленного на объективное обоснование межремонтных нормативов вагонов с позиции единых методологических принципов.

Проведен анализ научно-технической литературы, связанной с задачами оценки надежности и определения рациональной периодичности ремонта изделий разных видов техники, в том числе вагонов.

Исследования по данной тематике в сфере железнодорожного транспорта проводились в МГУПС, РОАТ МГУПС, ПГУПС, ОАО «НИИ вагоностроения», ОАО «ВНИИЖТ».

В вагонном хозяйстве значимый вклад в данной области знаний внесли такие специалисты, как: Ф.Х. Абашеев, A.M. Березовский, С.М. Бородай, В.П. Бугаев, C.B. Вершинский, К.Н. Войнов, И.И. Вучечич, В.И. Гридюшко, H.A. Горчакова, Б.А. Деркач, H.A.Козаченко, В.П.Коровин, Л.Н.Косарев, В.Б. Костров, А. Д. Кочнов, Л.Д.Кузьмич, B.C. Лагута, А.И.Логинов, М.В.Орлов, Ю.Ф. Портнов, Б.Н. Покровский, A.A. Пранов, Г.В.Райков, A.A. Рахмилевич, К.А. Сергеев, Г.К. Сендеров, Р.И. Селинова, Т.П. Северинова, И.Ф. Скиба, П.П. Соколов, А.П. Ступин, A.B. Третьяков, П.А. Устич и другие.

В сферах железнодорожного транспорта, связанных с тяговым подвижным составом, путевыми конструкциями, устройствами электроснабжения СЦБ, связи и тяги, системами управления, к специалистам данной области знаний относятся: В.М. Абрамов, Л.В. Башкатова, В.И. Власов, Ю.Н. Виноградов, A.A. Воробьев, A.B. Горский, А.Г. Заболотнев, Г.В. Зароченцев, В.А. Ивницкий, М.Г. Ильгисонис, Т.В. Кухаренко,

B.C. Лыскж, H.H. Лябах, JI.A. Мугинштейн, А.Т. Осяев, А.Б. Подшивалов, М.М. Путря, О.В. Рогожникова, B.C. Сонин, М.А. Факторович и другие.

Результаты проведенного анализа научной литературы свидетельствуют об отсутствии в настоящее время единого системного подхода к обоснованию межремонтных нормативов для вновь создаваемых моделей грузовых вагонов, отличающихся от вагонов-аналогов новизной конструкции, а также увеличенными межремонтными нормативами.

Во второй главе проведен анализ системы «вагон - эксплуатационная среда», в том числе:

а) Анализ вагонной конструкции как объекта надежности, направленный на установление свойственных вагону видов отказов, в том числе с учетом физических процессов, влияющих на их возникновение. Результаты данного анализа позволили автору осуществить целенаправленный выбор необходимого математического аппарата для разработки методов расчета установленных в работе показателей, а также подхода к обоснованию числа объектов испытаний.

б) Анализ вагонной конструкции как объекта безопасности, результаты которого позволили распределить элементы вагонов на группы в зависимости от степени опасности их отказов и уровня контролепригодности в эксплуатации с целью рационального планирования периодических осмотров вагонов.

в) Анализ эксплуатационной среды, результаты которого позволили автору установить и классифицировать номенклатуру внешних факторов, влияющих на надежность эксплуатации вагонов. Наличие этих факторов учтено автором при разработке технологии формирования представительной выборки вагонов на основе информационных систем с целью сбора объективных сведений об изменении их технического состояния. Таким образом, для получения данных сведений предусмотрен отбор вагонов через систему для проведения периодических осмотров в зависимости от показателей их эксплуатационной работы (общий пробег, коэффициент порожнего пробега, средняя загрузка).

В третьей главе автором предложены методы, необходимые для обоснования межремонтных нормативов грузовых вагонов, в том числе:

а) Метод расчета показателя «вероятность безотказной работы» и обоснования межремонтных нормативов на его основе.

Для расчета показателя «вероятность безотказной работы» приняты во внимание опасные внезапные отказы вагона, характеризующиеся непредсказуемым изменением одного или нескольких параметров его узлов (деталей), последствия которых могут привести к аварийной ситуации на железной дороге или потере сохранности груза.

Определено, что опасные внезапные отказы влияют на величину максимально допустимой наработки вагона в межремонтном периоде с точки зрения обеспечения безопасности движения на заданном уровне. При достижении вагонами данной наработки вероятность возникновения опасного внезапного отказа достигает критического уровня, в связи с этим вагоны должны быть направлены на глубокую диагностику, проводимую в рамках планового ремонта.

Установлено, что в общем случае частота появления наиболее редкого опасного отказа вагона (или его элемента) предопределяет общее число испытываемых вагонов и продолжительность их испытаний на надежность.

Таким образом, необходимое число объектов испытаний (вагонов, составных частей) предложено определять на основе следующего положения:

Положение 1. Объекты, характеризующиеся относительно редкими отказами, для проведения испытаний на надежность отбираются в количестве, достаточном для наблюдения хотя бы одного подобного отказа. Иными словами, при проведении испытаний на надежность выборочной совокупности объектов, вероятность того, что ни один объект из данного объема совокупности не откажет, устанавливается на уровне значимости д<0,05.

В рамках данного метода предложено проводить испытания на надежность по схеме Бернулли, при этом вероятность возникновения ровно к

отказов при испытании ограниченной совокупности объектов подчиняется известному биномиальному закону распределения:

ри(к) = ск„р\\-рГ-к, о)

где Рц(к) - вероятность появления отказа ровно к раз в серии из N одинаковых и независимых испытаний, проводимых по схеме Бернулли;

р — вероятность возникновения отказа рассматриваемой составной части вагона (далее - СЧВ) в течение межремонтного периода, определяемая на основе статистики об отказах данного вида СЧВ вагонов-аналогов;

гк - т - „

~ ТГТГт 77< - число сочетании из N элементов по к.

ЩИ -к)\

Автором определено, что при 0 и Ри(к) = д формула (1) отражает суть выше отмеченного положения 1.

В этом случае, предложено формулу (1) записать в виде:

ГС/О-рг, (2)

После упрощения получено:

^ = (3)

где И- общее число СЧВ, необходимое для проведения испытаний;

Рх=\-р - вероятность безотказной работы, определяемая на основе информации об отказах данного вида СЧВ вагонов-аналогов.

С учетом кратности (числа) СЧВ данного вида на вагоне (т) предложено определять необходимое для испытаний число вагонов ]\ГВ по формуле:

дг и

—. (4)

т

Поставлено условие, при котором вероятность безотказной работы испытываемых вагонов в межремонтном периоде соответствует заданным требованиям при сравнении с вагонами-аналогами:

^Нт> (5)

где к - число отказов СЧВ в ограниченной выборке объема Л^, соответствующее нижней доверительной границе показателя «вероятность безотказной работы» уровня значимости 1- Р, которое предложено определять из условия:

= (6)

*=0

где р - риск потребителя, который следует устанавливать не более 0,1;

Р- точечная оценка вероятности безотказной работы СЧВ, определяемая по результатам испытаний на надежность.

На рис. 1 приведен пример определения к.

Предельно допустимое число отказов СЧВ (к\1т) в ограниченной выборке объема N с учетом вероятности безотказной работы СЧВ вагонов-аналогов (РА) предложено определять из условия:

= (7)

к=0

где а - риск поставщика, который следует устанавливать не более 0,1.

б) Метод расчета показателя «гамма-прог(ентная наработка до отказа» и обоснования межремонтных нормативов на его основе.

Данный показатель предложено применять для оценки остаточного ресурса узлов и деталей вагона, характеризующихся постепенными отказами. Этот вид отказов возникает в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров узлов и деталей вагонов.

Установлено, что постепенные отказы влияют на величину максимально допустимой наработки вагона в межремонтном периоде, по истечении которой необходима его постановка в плановый ремонт в связи с достижением одним или несколькими контролируемыми параметрами вагона предельно допустимых значений в условиях эксплуатации. Достижение контролируемыми параметрами своих предельных значений сопровождается исчерпанием остаточного ресурса узлов и деталей вагонов.

Остаточный ресурс (/ост;), при истечении которого /-и контролируемый параметр достигнет предельного состояния, предложено определять из условия:

где "осту - запас у-го параметра на изменение (например, остаточная величина допустимого износа), определенный для группы вагонов;

эксплуатации к моменту контроля технического состояния вагонов; I - средняя наработка вагонов на момент контроля.

= 3 (коэффициент 3 в уравнении) - квантиль нормального закона распределения уровня аі =0,998;

<Ту - среднеквадратичное отклонениеу-го параметра;

СГ,

(8)

а -

— ~у~ ~ средняя скорость измененияу-го параметра;

/

«ф; - среднее фактическое изменение у-го параметра от начала

и - общее число замеров у-го параметра (объем выборки), определяемое по таблицам достаточно больших чисел с учетом необходимой и достаточной точности и достоверности получаемых результатов.

Условие (8) свидетельствует о том, что в течение наработки с учетом средней скорости изменения /-го параметра и оставшегося запаса на его изменение фактическое значение данного параметра с вероятностью 0,998 не достигнет своего предельного значения («правило трех сигм»).

На рис. 2 в трехмерном графическом виде изображена расчетная модель исчерпания ресурса узлов и деталей вагона, предложенная в работе.

Определено, что наименьшее значение определит гамма-процентную наработку до отказа вагона в целом - /в. В математическом виде данное условие записывается как:

1В =шш (/„„, ;/ост 2 ;...;/„„ Д (9)

где/=1,2...п - порядковый номер контролируемого параметра (например, 1 - толщина пятника, 2 - зазор в челюстном проеме, 3 - завышение клиньев).

на момент контроля (наработка) вагона по /-му параметру

Рис. 2 Графическое представление исчерпания ресурса узлов и деталей вагона, характеризующихся постепенными отказами

14

Установлено, что одним из условий обоснования межремонтных нормативов по данному показателю является необходимость сохранения некоторой величины остаточного ресурса для обеспечения безаварийного проследования вагона до места ремонта.

в) Метод расчета показателя «средняя наработка на отказ» и определения рациональных величин межремонтных нормативов на его основе.

Показатель «средняя наработка на отказ», позволяет определить общее число восстановлений, проводимых вагону в рамках текущего ремонта в течение межремонтного периода, что непосредственно связанно с расходами на его текущее содержание и ремонт.

Практические расчеты средней наработки на отказ испытываемых вагонов (Л"и) предложено осуществлять по формуле:

Х1ф

-^•и = ' при (10)

"о

где с?о - общее число отказов вагонов на момент расчета. Отказом вагона в данном случае является наличие неисправности, требующей отцепки вагона из состава поезда с целью проведения текущего ремонта;

N

хт.ф ~ - фактическая суммарная наработка вагонов на момент

м

расчета (¿V - общее число вагонов, х,- наработка /-го вагона из числа Л/);

Предельное значение суммарной учитываемой наработки вагонов Х£пт, реализация которой необходима для расчетами, определяется по формуле:

I „

(11)

а

где Та - приемочное значение средней наработки на отказ (приемочный уровень по ГОСТ 27.402);

ХА- числовое значение показателя «средняя наработка на отказ» вагонов-аналогов, определенное в сопоставимых условиях эксплуатации;

1/Та - предельная суммарная учитываемая наработка, выраженная в долях приемочного уровня Та. Числовое значение </Га определено в ГОСТ 27.402.

Критерий обоснования экономически целесообразных величин межремонтных нормативов вагонов предложено рассматривать на основе стоимости единицы их наработки (СЕН), которая формируется в зависимости от стоимости предстоящего планового ремонта, стоимости и общего числа проведенных текущих отцепочных ремонтов, а также продолжительности эксплуатации и выполненной вагоном работы в межремонтном периоде.

Функциональная зависимость стоимости ремонта от наработки вагона $?ш(х) и ряда других параметров представлена в общем виде:

Э^(х) = г(¥(хУ,М(хУ,11(х);х), (12)

где У(х) - трудоемкость ремонта в зависимости от наработки вагона;

М(х) - затраты материалов (комплектующих) на ремонт;

Я(х) - расход производственных ресурсов (электроэнергия, вода и др.);

х - наработка вагона.

В работе предложен технико-экономический критерий обоснования рациональных межремонтных нормативов, при которых обеспечивается минимум суммарных затрат на содержание и ремонт вагонов, приведенных на единицу их наработки в межремонтном периоде.

При этом предложено использовать данный критерий в следующем виде:

п

Я„л рем (х) + X 5тек рем -Х)

ЕПЗ^. =-И-->шт> (13)

где д: - текущее значение наработки вагонов в межремонтном периоде эксплуатации. При этом х предусмотрено измерять в километрах пробега при обосновании норматива пробега и в единицах времени при обосновании норматива календарной продолжительности эксплуатации вагонов;

ЕГО, - суммарные затраты на содержание и ремонт вагонов, приведенные на единицу наработки;

5пл рт(х) - стоимость планового ремонта вагонов, предстоящего по завершению межремонтного периода, при реализации вагонами наработки х;

Т£тек рем (% й х) - общая стоимость проведенных текущих отцепочных ремонтов вагонов в межремонтном периоде за наработку х;

г - порядковый номер проведенного текущего ремонта (ТР); п - общее число ТР в межремонтном периоде за наработку вагона х\ Х1 - средняя наработка вагонов до проведения 1-го ТР. Для ориентировочных расчетов экономически целесообразных величин межремонтных периодов в критерии (13) предусмотрено использовать усредненные ожидаемые стоимости планового ремонта - 5плрем и ТР - 5ТСК рем-В этом случае критерий (13) предложено использовать в виде:

V- пп рем + П(Х) ' ^тек рем ;

Е ПЗХ =—------->Ш1П> (14)

где п(х) - среднее число проведенных вагону ТР за наработку х. В общем виде п(х) предложено определять по формуле:

= (15)

и

где Хи - показатель «средняя наработка на отказ» испытываемых вагонов. На рис. 3 представлено графическое решение задачи поиска минимума суммарных приведенных затрат на содержание и ремонт вагонов ХПЗд-.

В диссертации отмечено, что в критериях (13) и (14) не учитываются такие затраты как: ренновационные отчисления, отчисления на модернизацию вагонов, затраты на техническое обслуживание, затраты на подготовку вагонов к перевозкам и затраты на другие хозяйства отрасли (тяга, путь и т.д.). В научной литературе обоснован линейный характер зависимости данных видов затрат от наработки вагона в межремонтном периоде. Это означает, что их учет в критериях (13) и (14) не влияет на искомую абсциссу точки минимума, т.е. на оптимальную величину наработки вагона в межремонтном периоде, а также на величину относительной экономии Д, образующуюся при выборе хот взамен (рис. 4).

Суммарные приведенные на единицу наработки затраты на содержание и ремонт вагонов - ХГО*

Хопт - целесообразная величина наработки вагона в межремонтном периоде

Удельные затраты на текущий ремонт

наработка вагона, X

Рис. 3 Графическое представление задачи поиска минимума суммарных приведенных затрат на содержание и ремонт вагонов (ЦПЗх)

£ а

I 3

Стоимость единицы наработки (СЕН) вагона с учетом дополнительных видов затрат линейного характера

СЕН с учетом затрат на текущий и плановый ремонт £ПЗ.г)

¿1= Дг=Д - относительная Ьеличина экономии при выборе х0„т вместо Хф

Хопт - целесообразная величина наработки вагона в межремонтном периоде

наработка вагона, X

Хф - фиксированная величина наработки вагона в межремонтном периоде

Рис. 4 Определение рациональных величин межремонтных нормативов с учетом дополнительных видов затрат и £ПЗХ

В третьей главе автором также предложены описательная технология и блок-схема (рис. 5) алгоритма формирования представительной выборки

вагонов на изменении

основе информационных систем для сбора объективных сведений об их технического состояния.

Старт I _i_

Ввод исходных данных ^та основе информации АБД ПЦ/

Расчет:

^порог-^гек.норм -А/;

^порог ^тек.норм -А/.

Расчет:

«Г У^0бщу>

Рг

где у=1 ...,ЛГп.п

Г Стоп |

Рис. 5 Блок-схема алгоритма формирования однородной выборки вагонов

На рис. 5 приняты следующие сокращения и обозначения: АБД ПВ - автоматизированный банк данных парка вагонов; АюроЛюрог - пороговое значение пробега/календарной продолжительности эксплуатации вагонов для постановки в системе запрета курсирования; Ате.норм/'тек.норм - текущий норматив пробега/календарной продолжительности, подлежащий поэтапной корректировке по текущим результатам испытаний; Al/At - установленный запас до истечения норматива пробега/календарной продолжительности эксплуатации вагонов;

a,j - коэффициент порожнего пробега /-го вагона в рассматриваемое время; /„ j - порожний пробег /-го вагона;

А>бщ/'общу - общий пробег/продолжительность эксплуатации /-го вагона;

Pj - средняя загрузка/-го вагона в рассматриваемое время;

'«общу - общая масса перевезенного/-м вагоном груза в рассматриваемое время;

kj - число груженных рейсов/-го вагона на момент рассмотрения;

Min - число испытываемых вагонов;

Исет - среднесетевой коэффициент порожнего пробега однотипных вагонов; Реет -среднесетевое значение загрузки однотипных вагонов; «(/') ~ фактическое число вагонов для вывода в периодический осмотр; «з ~ заданное предельное число вагонов для периодического осмотра.

В соответствии с предложенным в работе алгоритмом формирования представительной выборки вагонов в информационных системах осуществляется постановка признака «запрет курсирования» для вагонов с заданными значениями показателей эксплуатационной работы с целью сбора объективных сведений об изменении их технического состояния. В заключении приведены основные результаты диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработан научный подход, включающий систему взаимосвязанных методов, в совокупности направленных на объективное обоснование

20

рациональных величин межремонтных нормативов грузовых вагонов с позиции единых методологических принципов в условиях р&ночных отношений и роста конкуренции в области вагоностроения.

2. Предложен подход к определению требуемого числа объектов испытаний (вагонов/составных частей). Упомянутый подход является наиболее применимым на практике для вновь создаваемых моделей вагонов, т.к.:

- обеспечивает меньший объем испытаний при заданной точности и достоверности по сравнению с существующими подходами;

- не требует наличия априорной информации о виде и параметрах закона распределения наработки вагонов (составных частей) до отказа;

- не зависит от заблаговременного установления числовых значений рисков потребителя и поставщика в отличие от существующего подхода.

3. Разработан метод расчета показателя «вероятность безотказной работы» и обоснования межремонтных нормативов вагонов на его основе, предусматривающий возможность подбора рациональных значений рисков потребителя и поставщика при определении допустимых с точки зрения безопасности межремонтных нормативов вагонов.

4. Разработан метод расчета показателя «гамма - процентная наработка до отказа» и обоснования межремонтных нормативов на его основе, позволяющий оценить остаточный ресурс вагонов, по истечению которого их изнашиваемые составные части достигнут предельно допустимого состояния в эксплуатации.

5. Предложен метод расчета показателя «средняя наработка на отказ» и определения рациональных величин межремонтных нормативов, учитывающий комбинированный критерий (пробег/календарный срок) постановки вагонов в плановый ремонт. В соответствии с этим мЛодом предусмотрено независимое установление рациональных величин пробега и срока эксплуатации вагонов в межремонтном периоде.

6. Разработаны описательная технология и блок-схема алгоритма функционирования информационных систем вагонного хозяйства в задаче

формирования представительной выборки вагонов для сбора объективной информации об изменении их технического состояния в эксплуатации.

7. Результаты исследования применяются в практической деятельности при проведении технического обследования опытных вагонов модели 12-9853.

8. Результаты диссертации послужили научной основой при разработке:

■ «Типовой программы по организации и проведению подконтрольной эксплуатации новых моделей грузовых вагонов и их составных частей»;

■ «Типовой методики организации и проведения подконтрольной эксплуатации новых моделей грузовых вагонов и их составных частей»;

" «Методических рекомендаций по оценке и нормированию риска возникновения внезапных отказов грузовых вагонов».

Типовая программа утверждена Президентом НП «ОПЖТ» согласно решению Комитета по координации производителей грузовых вагонов и их компонентов (Протокол №23 от 04 октября 2013г., г.Харьков). Типовая методика и методические рекомендации согласованы Комиссией Совета по железнодорожному транспорту (Протокол №55 и №56, 2013г. соответственно).

9. Практический пример расчетов, приведенный в диссертационной работе, подтверждает действенность разработанных методов и возможность их применения на практике для обоснования межремонтных нормативов вагонов.

В диссертации определено, что при назначении рациональной величины межремонтного пробега по критерию минимума себестоимости единицы наработки вагона достигается относительная экономия Д=154 руб/тыс.км, связанная с сокращением расходов на его содержание и ремонт.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Петров C.B. Требования к информационному сопровождению подконтрольной эксплуатации вагонов // Вестник ВНИИЖТ. - 2013. - №5. -с.22-28.

2. Райков Г.В., Петров C.B. Научно-теоретические принципы назначения межремонтных нормативов вагонов//Вестник ВНИИЖТ. - 2012. - № 4. - с.15-18.

22

3. Некоторые аспекты проблемы нормирования уровня безопасности движения на примере железнодорожного транспорта / Устич П.А., Иванов А.А., Аверин Г.В., Кузнецов М.А., Петров С.В.//Надежность. - 2011. - № 1. - с. 59-73.

В других гаданиях:

4. Инновационные грузовые вагоны: миф или реальность?/Васильев С.Г., Петров C.B., Сычев П.В.//Вагоны и вагонное хозяйство. - 2013. - №1. - с. 36-37.

5. Принципы обоснования оптимальных межремонтных нормативов новых моделей грузовых вагонов / Сапожников С.А., Краснобаев A.M., Райков Г.В., Петров C.B.// Вагонный парк. - 2012. - №10. - с. 40-41.

6. Принципы подтверждения межремонтных нормативов новых моделей грузовых вагонов/Сапожников С.А., Краснобаев A.M., Райков Г.В., Петров C.B. // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2012. - № 2. - с.28-29.

7. Петров C.B. Классификация элементов конструкции вагона как объекта безопасности с целью построения расчетной схемы надежности вагона/сб. науч. тр. ОАО «ВНИШСГ» - М.: Интекст, 2011. - с. 136 - 140.

8. Петров C.B. Классификация элементов конструкции вагона как объекта безопасности // Безопасность движения поездов: труды XI научно-практической конференции. - М.: МИИТ, 2010. - с. VII - 21.

Подписано к печати 22.11.2013 г. Формат бумаги 60x90 1/16 Объем 1,5 п.л. Заказ 223 Тираж 100 экз. Типография ОАО «ВНИИЖТ» 3-я Мытищинская ул. д. 10

04201454776

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА» (ОАО «ВНИИЖТ»)

На правах рукописи

МЕТОДЫ ОБОСНОВАНИЯ НОРМАТИВОВ МЕЖРЕМОНТНОЙ НАРАБОТКИ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Москва - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................10

1.1 Анализ совершенствования системы технического обслуживания и ремонта грузовых вагонов...............................................................10

1.1.1 Этапы совершенствования системы технического обслуживания и ремонта грузовых вагонов...............................................................10

1.1.2 Состояние проблемы обоснования межремонтных нормативов грузовых вагонов.......................................................................................15

1.2 Анализ научно-технической литературы в области надежности и периодичности ремонта изделий разных видов техники..........................19

1.2.1 Анализ литературы в области надежности технических изделий.........19

1.2.2 Общая тенденция развития задач оценки надежности в железнодорожном транспорте...........................................................26

1.2.3 Развитие задач оценки надежности и периодичности ремонта в

вагонном и локомотивном хозяйствах................................................30

Выводы по первой главе..................................................................43

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СИСТЕМЫ «ВАГОН - ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ СРЕДА»......................................................................................44

2.1 Общая характеристика системы....................................................44

2.2 Анализ вагонной конструкции как объекта надежности......................46

2.3 Анализ вагонной конструкции как объекта безопасности....................51

2.4 Анализ эксплуатационной среды и ее влияния на надежность вагонов...59

Выводы по второй главе..................................................................73

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ОБОСНОВАНИЯ МЕЖРЕМОНТНЫХ НОРМАТИВОВ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ..................................................................74

3.1 Принятая терминология..............................................................74

3.2 Применяемые показатели............................................................76

3.3 Метод расчета показателя «вероятность безотказной работы» и определения необходимого объема испытаний на его основе...................79

3.4 Метод обоснования межремонтных нормативов вагона по показателю «вероятность безотказной работы»....................................................89

3.5 Метод расчета показателя «гамма - процентная наработка до отказа» и обоснования межремонтных нормативов на его основе...........................90

3.6 Метод расчета показателя «средняя наработка на отказ».....................96

3.7 Критерий обоснования экономически целесообразных нормативов межремонтной наработки грузовых вагонов.........................................99

3.8 Требования к информационному сопровождению подконтрольной эксплуатации грузовых вагонов.......................................................105

3.9 Числовой пример обоснования межремонтных нормативов вагонов.....117

Выводы по третьей главе...............................................................131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................133

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................135

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................147

ВВЕДЕНИЕ

Возникновение конкурентной среды в области вагоностроения связано с переходом экономики России на рыночные отношения. В этих условиях наблюдаются повышенные темпы обновления модельного ряда грузовых вагонов. За последнее время общая численность моделей вагонов превысила одну тысячу, а моделей тележек приближается к сорока единицам [1]. При этом вагоны новых моделей и их составные элементы различаются между собой как конструктивным исполнением, так и применяемыми в конструкции материалами [2-9]. Более того, вагоны, спроектированные на базе перспективных составных элементов, также различаются техническими и технико-экономическими характеристиками, такими как: масса тары, грузоподъемность, конструкционная скорость, осевая нагрузка, динамическое воздействие на путь, межремонтные нормативы.

Комитетом Некоммерческого Партнерства «Объединение производителей железнодорожной техники» (НП «ОПЖТ») по координации производителей грузовых вагонов и их компонентов установлены инновационные признаки, определяющие конкурентные преимущества новых моделей грузовых вагонов. В отношении нормативов межремонтной наработки вагонов (межремонтных нормативов) к ним относятся:

- пробег от постройки и капитального ремонта до первого деповского ремонта не менее 500 тыс. км (срок - не менее 4 лет).

- межремонтный пробег между деповскими ремонтами не менее 250 тыс.км (срок - не менее 2 лет).

В настоящее время задача научного обоснования указанных межремонтных нормативов обладает первостепенной значимостью [10-12]. При этом под межремонтными нормативами понимаются календарный срок эксплуатации вагонов и пробег в межремонтном периоде, заявленные производителем в конструкторской документации на новые модели грузовых вагонов.

В связи с интенсивным обновлением модельного ряда вагонов, обладающих как увеличенными межремонтными нормативами, так и новизной конструкции по сравнению с аналогами, возникает необходимость разработки системного подхода к обоснованию рациональных величин их межремонтных нормативов с учетом обеспечения надежной и безопасной эксплуатации вагонов в межремонтном периоде. Данный подход должен быть основан на единых методологических принципах, применимых для любой вновь создаваемой модели вагонов [10].

Степень разработанности проблемы. Для обоснования межремонтных нормативов новых моделей грузовых вагонов необходимо целенаправленное проведение испытаний их на надежность в реальных условиях, а именно: в ходе подконтрольной эксплуатации.

Существующие программы и методики, предназначенные для проведения подконтрольной эксплуатации вагонов, носят частный характер, в них отсутствует научное содержание в виде количественных показателей надежности и безопасности вагонов, а также критериев оценки соответствия межремонтных нормативов заданным требованиям. По своей сути, данные документы содержат лишь перечень, номинальные и предельные значения контролируемых параметров составных частей вагонов, а также программу действий по их выявлению в эксплуатации и осуществлению замеров.

Таким образом, проведение испытаний на надежность по разным методикам способствует получению противоречивых результатов, создавая тем самым субъективность и неоднозначность суждений о фактической надежности испытываемых вагонов.

В условиях рыночных отношений резко возрастает необходимость объективной оценки соответствия межремонтных нормативов требованиям надежной и безопасной эксплуатации вагонов с учетом экономической эффективности. С этой целью необходимо руководствоваться единым методологическим подходом при обосновании межремонтных нормативов для любых вновь создаваемых моделей грузовых вагонов, не имеющих

аналогов в отношении новизны конструктивного исполнения и применяемых материалов конструкций. Данный подход должен выступать в качестве универсального механизма, обеспечивающего эффективное внедрение новых вагонов на сети железных дорог в условиях интенсивного обновления их модельного ряда.

Объект исследования: система технического обслуживания и ремонта грузовых вагонов.

Предмет исследования: нормативы межремонтной наработки грузовых вагонов в системе технического обслуживания и ремонта.

Цель диссертационной работы: разработка комплекса взаимосвязанных методов для расчетного обоснования рациональных нормативов межремонтной наработки грузовых вагонов с учетом обеспечения их надежной и безопасной эксплуатации.

Для достижения цели в работе поставлены и решены задачи:

1. Предложен подход к определению требуемого числа объектов испытаний (вагонов/составных частей). Данный подход является наиболее перспективным на практике для обоснования требуемого числа испытываемых вагонов, опыт эксплуатации которых отсутствует на территории Российской Федерации и всем «пространстве колеи 1520мм», т.к. не требует наличие априорной информации о законе распределения наработки до отказа.

2. Разработан метод расчета показателя «вероятность безотказной работы» и обоснования межремонтных нормативов вагонов на его основе. Действие метода распространяется на их внезапные отказы. Отличительная особенность метода заключается в том, что при сопоставлении нормативного и фактического значений вероятности безотказной работы вагонов существует возможность подбора рациональных значений рисков потребителя и поставщика, что обеспечивает гибкий подход к взаимодействию производителя и владельца вагонов в условиях рыночных отношений при осуществлении купле - продажи вагонной продукции.

3. Разработан метод расчета показателя «гамма - процентная наработка до отказа» и обоснования межремонтных нормативов на его основе. Действие метода распространяется на постепенные отказы вагонов (составных частей) и направлено на определение их остаточного ресурса по результатам контроля технического состояния вагонов, что позволяет прогнозировать величину наработки вагона, по истечению которой его изнашиваемые составные части достигнут предельно допустимого состояния.

4. Предложен метод расчета показателя «средняя наработка на отказ» и определения рациональных величин межремонтных нормативов. Данный метод базируется на информации автоматизированных систем вагонного хозяйства об отцепках вагонов в текущий ремонт и их причинах. Для обоснования рациональных величин межремонтных нормативов применен критерий определения наработки вагона, соответствующей минимуму затрат на его содержание и ремонт (текущий, плановый). В данный критерий автором обоснованно включены только те виды затрат, которые влияют на величину оптимальной наработки вагонов, что позволяет на практике упростить процедуру определения их рациональных межремонтных нормативов.

5. Разработаны требования к функционированию информационных систем вагонного хозяйства в задаче формирования представительной выборки вагонов для сбора объективной информации об изменении их технического состояния в эксплуатации.

Методы исследований и достоверность результатов. Результаты работы базируются на обоснованном применении научных методов. К ним относятся: методы теории надежности, теории вероятностей и математической статистики, теории решения экстремальных задач, вероятностные методы выборочного контроля, статистические методы анализа и планирования экспериментов.

Научную новизну диссертации представляют следующие результаты:

1. Подход к определению требуемого числа объектов испытаний (вагонов/составных частей) на основе биномиального закона распределения числа отказов в выборке ограниченного объема, который:

- обеспечивает меньший объем испытаний при заданной точности и достоверности по сравнению с таблицами достаточно больших чисел;

- не требует наличия априорной информации о виде и параметрах закона распределения наработки до отказа объектов испытаний;

- не зависит от заблаговременного установления числовых значений рисков потребителя и поставщика в отличие от существующего подхода.

2. Подход к установлению числовых значений рисков потребителя и поставщика, позволяющий подбирать их рациональные значения по результатам испытаний в отличие от существующего подхода.

3. Описательная технология и блок-схема алгоритма формирования представительной выборки вагонов на основе информационных систем для сбора объективных сведений об изменении их технического состояния.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Подход к определению требуемого числа объектов испытаний (вагонов/составных частей) на основе биномиального закона распределения, обеспечивающий меньший объем испытаний при заданной точности и достоверности, не требующий информации о виде и параметрах закона распределения, не зависящий от значений рисков потребителя и поставщика.

2. Комплекс взаимосвязанных методов расчета показателей и методов обоснования межремонтных нормативов на их основе, необходимый для оценки надежности, безопасности и экономической эффективности эксплуатации вагонов в межремонтном периоде. В качестве показателей приняты: вероятность безотказной работы, гамма-процентная наработка до отказа и средняя наработка на отказ.

3. Описательная технология и блок-схема алгоритма формирования представительной выборки вагонов на основе информационных систем для сбора объективных сведений об изменении их технического состояния.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты применяются в практической деятельности при проведении обследования технического состояния опытных вагонов модели 12-9853.

Результаты диссертации послужили основой при разработке:

- «Типовой программы по организации и проведению подконтрольной эксплуатации новых моделей грузовых вагонов и их составных частей», утвержденной Президентом НП «ОПЖТ» В.А. Гапановичем согласно решению Комитета по координации производителей грузовых вагонов и их компонентов (Протокол №23 от 04 октября 2013г., г. Харьков);

- «Типовой методики организации и проведения подконтрольной эксплуатации новых моделей грузовых вагонов и их составных частей»;

- «Методических рекомендаций по оценке и нормированию риска возникновения внезапных отказов грузовых вагонов».

Типовая методика и методические рекомендации согласованны Комиссией Совета по железнодорожному транспорту (Протокол №55 и №56, 2013г.).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 10-й научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, МИИТ, 2010г.); на конференции ученых ОАО «ВНИИЖТ» (Москва, 2011г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 научных работ в виде статей и докладов. Из них три публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Публикации без соавторов - 3.

Диссертация состоит из введения, трех глав с выводами по каждой главе, заключения, списка литературных источников из 123 наименований и двух приложений. Общий объем работы составляет 149 страниц, включая 124 страницы основного текста, 16 рисунков, 8 таблиц, приложения на 3 страницах.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ совершенствования системы технического обслуживания и

ремонта грузовых вагонов

1.1.1 Этапы совершенствования системы технического обслуживания и

ремонта грузовых вагонов

В соответствии с терминологией ГОСТ 18322 [13] под системой технического обслуживания и ремонта (далее - система ТОР) грузовых вагонов в общем случае понимают совокупность взаимосвязанных средств, документации технического обслуживания и ремонта и исполнителей, необходимых для поддержания и восстановления работоспособности вагонов.

В частном случае под системой ТОР грузовых вагонов можно понимать типы и периодичность предусмотренных технической документацией ремонтов, технических осмотров и обслуживаний, которые взаимоувязаны стратегиями работ по их осуществлению [14, с. 122].

За всю историю развития отечественного железнодорожного транспорта система ТОР постоянно совершенствовалась и оптимизировалась, по мере накопления опыта эксплуатации вагонов, изменения конструктивной характеристики парка, условий его использования и т.д. Однако если на первом этапе развития основной целью системы было обеспечение безопасной и надежной работы вагонов «любой ценой», то по мере накопления опыта эксплуатации грузовых вагонов не меньше внимания уделяется и ее экономичности. Ретроспективное изменение степени дифференциации периодичности ремонта грузовых вагонов с 1881 по 1991гг. приведена в таблице 1.1.

Условно можно выделить шесть основных этапов совершенствования системы ТОР грузовых вагонов:

Этап 1 (1867-1922гг.). В это период вводится вид ремонта под названием «конвенционный», проводимый для ремонта вагонов по планово-

Таблица 1.1

Степень дифференциации периодичности ремонта грузовых вагонов

№ Элементы дифференциации Год ввода в действие периодичности ремонта

1881 1885 1894 1895 1922 1928 1933 1955 1962 1972 1981 (1986) 1990

1. Вид ремонта нет нет нет нет нет нет да да да да да да

2. Прочностная характеристика нет нет нет нет нет да да Да нет нет да да

3. Типаж нет нет нет нет нет нет нет нет да да да да

4. Конструктивные особенности нет нет нет нет нет нет нет нет да да да да

5. Продолжительность эксплуатации нет нет нет нет нет нет нет да да да да да

6. Срок службы нет нет нет нет нет нет нет нет нет нет нет да

предупредительному принципу. Другие виды ремонта, отличаю�