автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Обоснование параметров тормозной системы грузовых вагонов из условия недопущения юза колесной пары

На правах рукописи

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТОРМОЗНОЙ СИСТЕМЫ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ ИЗ УСЛОВИЯ НЕДОПУЩЕНИЯ ЮЗА КОЛЕСНОЙ ПАРЫ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2013 г.

12 ДЕК 2013

005543506

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ) на кафедре «Машиноведение, проектирование, стандартизация и сертификация»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Карпычев Владимир Александрович

Официальные оппоненты: Анисимов Пётр Степанович

доктор технических наук, профессор,

МГУПС (МИИТ), кафедра «Вагоны и вагонное

хозяйство», профессор.

Синицын Владимир Владимирович

кандидат технических наук,

ЗАО «Брянский машиностроительный завод», инженерный центр, ведущий инженер-конструктор конструкторского отдела по вагоностроению.

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет» (БГТУ)

Защита состоится 24 декабря 2013 г., в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.01 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПС (МИИТ). Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Саврухин Андрей Викторович

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Согласно распоряжению Правительства Российской Федерации от 17.06.2008 №№ 877-р «О Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» среди прочих к грузовым вагонам нового поколения предъявляется требование увеличения наработки вагона на отказ на 30 - 40 %.

Предъявляемое требование касается увеличения надежности функциональных узлов грузовых вагонов. Тормозная система является одним из основных функциональных узлов грузового вагона, обеспечивающим безопасность движения. Под надежностью тормозной системы подразумевается не только обеспечение работоспособности ее агрегатов в течение заявленного срока межремонтного пробега вагона, но и обеспечение условий эффективного и безъюзового торможения.

Проблемность обеспечения безъюзового торможения обусловлена также большой долей (10-12%) отцепок грузовых вагонов в текущий ремонт вследствие образования на поверхностях катания колесных пар ползунов, выщербин и наваров, являющихся, помимо прочего, следствием различного по продолжительности юза колесной пары.

В эксплуатации на трибосистему колодка-колесо-рельс воздействует множество факторов, ухудшающих условия ее нормальной работы и имеющих различную природу происхождения.

Надежность работы тормозной системы является универсальным показателем, позволяющим охватить факторы с различной природой происхождения. Кроме того, это системный показатель, позволяющий учитывать причинно-следственные связи факторов в эксплуатации. Одним из методов системного анализа является метод построения дерева отказов, позволяющий учесть влияние различных сочетаний факторов на работу тормозной системы. Поэтому на основе дерева отказов возможно выполнить системное обоснование параметров тормозной системы грузовых вагонов из условия недопущения юза колесной пары.

Степень разработанности темы исследования. В области совершенствования грузовой тормозной техники можно выделить следующие направления проведения научных исследований:

- разработка тормозного оборудования (И.К. Матросов, В.И. Крылов, В.Г. Иноземцев, A.B. Казаринов и др.);

- совершенствование процессов управления автотормозами грузовых поездов (В.Г. Иноземцев, БЛ. Карвацкий, C.B. Вершинский, Анисимов П.С. и

др-);

- трибология (Буше H.A., Чичинадзе A.B., Крагельский И.В. и др.);

- ремонт и совершенствование узлов и агрегатов тормозных систем (В.Г. Иноземцев, В.А. Щепетильников, В.Р. Асадченко, В.В. Соломатин, Синицын В.В. и др.)

- оптимизация параметров надежности и безотказности работы приборов тормозной системы (Устич П.А., Карпычев В.А.).

Задача обоснования параметров тормозной системы грузовых вагонов является сложной. Сложность обусловлена не только многофакторностью, но и качественным разнообразием факторов, в частности, приводящих к юзу колесной пары. Поэтому за направление исследований принят подход на основе теории надежности, позволяющий систематизировать и унифицировать количественную оценку неблагоприятных факторов.

Цель и задачи. Обоснование параметров тормозной системы грузовых вагонов из условия недопущения юза колесной пары. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ имеющихся наработок в выбранном направлении исследований и выбор основы для их проведения;

- анализ влияния структуры связей элементарных событий в дереве отказов на вероятность реализации вершинного события (юз колесной пары) с последующим ранжированием событий по убыванию влияния;

- обоснование выборки элементарных событий, имеющих наибольший приоритет принятия к исследованиям и согласующихся с выбранным направлением исследований;

- переход от событий выборки к параметрам тормозной системы (ТС) посредством формализации условий свершения событий на основе известной методики тормозного расчета автотормоза грузовых вагонов;

- формирование областей свершения событий выборки из сочетаний допускаемых значений параметров ТС;

- обоснование параметров ТС посредством решения задачи о границах событий;

- оценка влияния износа колодок и колес на параметры ТС из условия безъюзового торможения вагона.

Объектом исследований является одноцилиндровая симметричная тормозная система грузовых вагонов, оборудованная композиционными колодками.

Предметом исследований является обоснование параметров тормозной системы грузовых вагонов на основе дерева отказов и из условия недопущения юза колесной пары.

Научная новизна работы заключается в использовании одного из методов системного анализа при решении многофакторной задачи обоснования параметров тормозной системы грузовых вагонов из условия недопущения юза колесной пары.

Теоретическая значимость проведенных исследований заключается в том, что:

- разработана методика системного обоснования параметров тормозной системы грузовых вагонов с учетом причинно-следственных связей между событиями, приводящими к возникновению юза колесной пары;

- выполнен переход от событий к параметрам тормозной системы через формализацию условий наступления этих событий;

- введены понятия максимальной вынужденно допускаемой, нештатной (реализуемой) и штатной (расчетной) обезгрузок колесной пары, реализуемых при торможении вагона;

- получено уравнение, позволяющее определять запас по сцеплению колеса с рельсом с учетом обезгрузки колесной пары;

- разработана методика оценки влияния износа колес и колодок на параметры тормозной системы применительно к рычажной передаче грузовой тележки с односторонним нажатием.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

- обоснованы параметры тормозной системы грузовых вагонов, как границы фактической области свершения события, учитывающего появление юза колесной пары вследствие ее обезгрузки, что позволяет сформировать условия наблюдения за событием в эксплуатации и позволило обосновать параметры тормозной системы из условия недопущения юза вследствие обезгрузки колесной пары;

- установлены диапазоны и характер изменения тормозных нажатий колодок на колеса, позволяющие судить об устойчивости трибосистемы колодка-колесо-рельс к невозникновению юза колесной пары в процессе эксплуатации.

Методология и методы исследования. В рамках проведенных исследований использованы следующие методы: системного анализа неблагоприятного события на основе построенного дерева отказов; метод типового расчета тормоза грузовых вагонов; метод определения дополнительных вертикальных усилий, действующих на подвижной состав при торможении; метод определения координат точек; метод структурного анализа и синтеза механизмов; уравнения статики; ряд фундаментальных математических положений (тригонометрия, теоремы и пр.).

Положения, выносимые на защиту. Обоснование параметров тормозной системы грузовых вагонов из условия недопущения юза колесной пары с позиций: системного подхода на основе теории надежности; формализации событий, приводящих к юзу, с последующей количественной оценкой параметров тормозной системы, как границ свершения событий; кинетостатического анализа механизма рычажной передачи.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается экспериментальными данными, проверочными расчетами по разработанным программам, а так же хорошей сходимостью результатов расчетов по разработанным программам с результатами расчетов, полученными по известным методикам.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: VIII и X научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов», , научно-техническом совете ОАО «Транспневматика» (2010г.), научно-техническом совете ACTO (2010г.), кафедре «Вагоны и вагонное хозяйство»(2011, 2012г. г.), кафедре «Машиноведение, проектирование, стандартизация и сертификация»(2009,2012,2013г.г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано семь работ, в том числе три работы в изданиях, рекомендуемых ВАК России.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 171с, в том числе 21 таблица и 68 рисунков.

2 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность, научная и практическая значимость системного обоснования параметров тормозной системы грузовых вагонов на основе аппарата теории надежности, в частности, на основе дерева отказов.

В первой главе посредством анализа распределения отказов основных узлов грузовых вагонов, тенденций развития грузового подвижного состава и научных работ в области развития тормозной техники обоснована актуальность обоснования параметров тормозной системы грузовых вагонов из условия недопущения юза колесной пары посредством одного из методов системного анализа.

Надежность работы исследуемого объекта, как универсальный системный показатель позволяет систематизировать решение многофакторных задач. А именно, позволяет охватить неблагоприятные факторы, влияющие на объект и имеющие различную природу происхождения, а так же учесть их причинно-следственные связи в эксплуатации.

б

Данный системный подход использован при обосновании параметров тормозной системы грузовых вагонов из условия недопущения юза колесной пары.

В результате анализа работ Карпычева В.А. установлено, что им разработано дерево с вершинным (завершающим) событием Т = {Тормозная система поезда не обеспечивает достаточную эффективность управления, безаварийность эксплуатации, требуемую работоспособность связанных агрегатов и сохранность груза}. Среди событий, имеющих непосредственную взаимосвязь с вершинным, присутствует событие £> = {Имеет место юз колесной пары хотя бы одного вагона}. Ветвь дерева с вершинным событием В принята за основу проведения исследований.

Во второй главе посредством более углубленного анализа имеющихся наработок в качестве основы для обоснования параметров тормозной системы грузовых вагонов на основе дерева отказов и из условия недопущения юза колесной пары приняты:

- дерево отказов с вершинным событием О = {Имеет место юз хотя бы одной колесной пары вагона}, древовидная схема разложения которого до уровня элементарных (неразложимых) событий представлена на рисунке1;

- математическая модель оценки вероятности появления юза колесной пары, включающая вероятности элементарных событий из дерева с вершинным событием О. Данная модель получена посредством известной методики преобразования дерева и апробирована при условии равной вероятности (р) всех элементарных (неразложимых) событий. Допущение равной вероятности позволяет выполнять элементарные тестовые и проверочные решения:

т> = 1 - (1-Р)6(1-р2)5(1-Р)4(1-Р4)(1-Р)6(1-Р3). (о

©0"

(Ь) (¿) (¿) (¿)

18 19 20

Рисунок 1 Древовидная схема цепочек (разложенных до элементарных) неблагоприятных событий, приводящих к юзу колесной пары

Дерево неблагоприятных событий отражает связи элементарных событий (неблагоприятных эксплуатационных факторов), представленных в виде кругов, и вершинного (исследуемого) события (явления) £>. Данные связи складываются из промежуточных событий и логических операторов. Структура каждой связи получена на основе анализа причинно-следственных связей неблагоприятных факторов в эксплуатации.

На первом этапе обоснования параметров тормозной системы для определения порядка рассмотрения элементарных событий выполнено их ранжирование по убыванию влияния на вероятность появления юза в зависимости от структуры связей событий в дереве отказов. В ходе решения данной задачи выполнена группировка событий по структуре связей:

БЛОК 1 (последовательная структура связей)

- DI - {Неисправности в подшипниках букс приводят к силам, превышающим критические};

- D2 = {Попадание посторонних предметов между колесом и рельсом приводит к силам, превышающим критические}-,

- D3 = {Уменьшение коэффициента сцепления колеса с рельсом на величину, превышающую допустимое значение};

- D4 = {Имеет место обезгрузка колесной пары на величину, превышающую допустимую}-,

- D5 = {Увеличение Мтр из-за значительного несоответствия режима работы автотормоза загрузке вагона на величину, превышающую критическое значение}-,

- D6 = {Нештатное перемещение обрессоренных частей вагона на величину, превышающую критическое значение}.

Мтр - момент от силы трения в паре колодка - колесо.

БЛОК 2 (последовательно-параллельная структура связей)

- D7 = {Уменьшение М„, по сравнению с предельным значением величины Мтр не превышает критическую величину};

- D8 = {Увеличение Мтр по сравнению с предельным значением величины Ма, не превышает критическую величину};

- D9 = {Неисправности в подшипниках букс приводят к силам, не превышающим критические}-,

- DIO = {Попадание посторонних предметов между колесом и рельсом к силам, не превышающим критические}-,

- D11 = {Уменьшение коэффициента сцепления колеса с рельсом в пределах допуска};

-DÍ2= {Обезгрузка колесной пары в пределах допуска};

Мсц - момент от силы сцепления колеса с рельсом.

БЛОК 3 (последовательная структура связей)

- D13 = {Ошибки машиниста, приводящие к критическому завышению давления в тормозном цилиндре (ГЦ)};

- D14 = {Неисправностирегулятора выхода штока};

- DI5 = {Завышенное передаточное число тормозной рычажной передачи (ТРП)};

- D16= {Неправильнаярегулировка ТРП};

БЛОК 4 (параллельная структура связей)

-D17- {Повышение давления в ТЦв пределах поля допуска};

- DI8 = {Увеличение Мтр вследствие неисправностей ТРП в пределах поля допуска};

- £> 19 - {Несоответствие между режимом работы тормоза и загрузкой вагона в пределах поля допуска};

- Б20 - {Перемещение обрессоренных частей вагона в пределах поля допуска}.

БЛОК 5 (последовательная структура связей)

- 021 = {Заклинивание фрикционных узлов авторежима (АРЖ)};

В22 = {Заклинивание поршня, соединяющего ТЦ с воздухораспределителем (ВР) в А РЖ);

- Б23 = {Неправильнаярегулировка АРЖ);

- И24 = {Потеря чувствительности уравнительного поршня ВР};

- £>25 = {Разрегулировкарежимных пружин ВР};

- Б26 = {Снижение жесткости пружины главного поршня ВР}.

БЛОК 6 (параллельная структура связей)

- ^27 = {Ошибки машиниста, приводящие к завышению давления в ТЦ, но ниже критического уровня};

- Б28 = {Неисправности АРЖ, приводящие к завышению давления в ТЦ, в пределах допуска};

- 029 = {Неисправности ВР, приводящие к завышению давления в ТЦ в пределах поля допуска}.

Результаты ранжирования элементарных событий по убыванию их влияния на вероятность реализации вершинного события следующие:

- события с последовательной структурой связи;

- события с последовательно-параллельной структурой связи при большей кратности их повторения в других минимальных сечениях;

- события с последовательно-параллельной структурой связи по уменьшению кратности их повторения в других минимальных сечениях;

- события с параллельной структурой связи при меньшем их количестве в рассматриваемом минимальном сечении;

- события с параллельной структурой связи по увеличению их количества в рассматриваемом минимальном сечении.

На основе перечня элементарных событий с наиболее влияющей (последовательной) структурой связей обоснована выборка по условиям их принадлежности к трибосистеме колодка-колесо-рельс без учета человеческого фактора, и что тормозная система вагона находится в исправном состоянии:

- ИЗ = {Уменьшение коэффициента сцепления колеса с рельсом на величину, превышающую допустимое значение};

- Б4 = {Имеет место обезгрузка колесной пары на величину, превышающую допустимую};

Обозначение Ш^Ю), например, указывает на уравнение моментов сил, действующих на звено К/ относительно точки Л

По разработанной методике составлена программа расчета с целью оценки тормозных нажатий колодок на колеса с учетом их износа. Для проверки корректности программы расчета выполнен сравнительный анализ экспериментальных данных (ОАО «ВНИИЖТ») и результатов расчета тормозных нажатий колодок на колеса по типовой и разработанной методикам для новых колес.

Установлена достаточная сходимость экспериментальных и расчетных тормозных нажатий колодок на колеса и сделан вывод о корректности реализованного по разработанной методике решения.

Выполнена оценка тормозных нажатий колодок на колеса:

- при переключении монтажных размеров рычажной передачи по среднему диаметру колес под тележкой и новых колодках (рисунок 9);

- при неизменных монтажных размерах рычажной передачи с учетом соответствующего допускаемого износа колодок и колес (рисунки 10-12).

Рисунок 9 Гистограммы изменения тормозных усилий при переключении монтажных размеров рычажной передачи при соответствующих средних диаметрах колес под тележкой модели 18-100 и новых колодках (порожний

режим)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В работе выполнен анализ отцепок грузовых вагонов в текущий ремонт в 2005-2010 годах. В результате установлено, что в среднем около 80 тыс. отцепок в год (10-12% от общего числа) инициировано неиправностями колесных пар, вызванными юзом. В то же время в стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года среди прочих к грузовым вагонам нового поколения предъявляется требование увеличения наработки на отказ на 30 - 40 %. Этим обоснована актуальность оценки параметров тормозной системы грузовых вагонов из условия недопущения юза колесной пары.

2. На основе дерева отказов разработана методика обоснования параметров тормозной системы грузовых вагонов, являющаяся переходным этапом от качественной к количественной оценке условий появления юза колесной пары и позволяющая обосновывать параметры тормозной системы, как обобщенные, унифицированные показатели влияния на трибосистему колодка-колесо-рельс неблагоприятных факторов, учтенных в дереве отказов.

3. В отличие от известных методик разработанная методика позволяет систематизировать учет влияния на трибосистему колодка-колесо-рельс неблагоприятных факторов, имеющих различную природу появления вследствие учета их причинно-следственные связей в эксплуатации.

4. Выполнено ранжирование событий из дерева отказов с вершинным событием, учитывающим юз колесной пары, по степени их влияния на вероятность появления юза с учетом типа связи событий в структуре дерева. Это позволило обосновать выборку событий имеющих приоритетное значение для безопасности движения.

5. При оценке параметров тормозной системы грузовых вагонов по разработанной методике получены следующие результаты:

а) из условия недопущения с доверительной вероятностью юза колесной пары

вследствие обезгрузки обосновано максимальное допускаемое на порожнем режиме воздухораспределителя (тара 23т) значение давления в тормозном цилиндре 0,16 МПа;

б) получено уравнение, позволяющее оценивать запас по сцеплению колеса с рельсом в конкретной ситуации торможения с учетом обезгрузки колесной пары;

в) установлены границы фактической области появления юза колесной пары вследствие ее обезгрузки. Что позволяет сформировать условия

22

(сочетания значений параметров тормозной системы) наблюдения в эксплуатации за событием, учитывающим обезгрузку колесной пары, с целью определения вероятности его свершения;

г) разработана методика оценки влияния величин износа колес и колодок на тормозные усилия. В результате установлены:

- тенденция уменьшения тормозных усилий по мере износа колодок и колес

при всех рекомендуемых сочетаниях монтажных размеров рычажной передачи с односторонним нажатием на основе сравнительного анализа экспериментальных и расчетных данных;

- диапазоны изменения тормозных усилий вследствие износа колес и колодок

при всех рекомендуемых сочетаниях монтажных размеров рычажной передачи с односторонним нажатием: на ближней к тормозному цилиндру колесной паре тормозные нажатия колодок на колеса изменяются в диапазоне 0,17-0,871 тс, на дальней - в диапазоне 0,772-Ю,829 тс. Определение данных диапазонов позволяет с одной стороны судить о запасах по сцеплению колеса с рельсом, а с другой - об эффективности работы рычажной передачи;

- уменьшение тормозных усилий в эксплуатации приводит к уменьшению фактической области свершения события, учитывающего появление юза колесной пары вследствие ее обезгрузки, т.е. к уменьшению вероятности свершения данного события. Определение диапазонов изменения тормозных усилий позволяет оценить влияние переменности тормозных усилий на вероятность появления юза колесной пары с одной стороны и на эффективность работы рычажной передачи с другой.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих печатных работах:

1 Научные публикации в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК России:

1. Карпычев, В.А. Вероятностная модель юза колесной пары / В.А. Карпычев, П.А. Андреев // Мир транспорта. - 2009. - №2(26). - С.18-22.

2. Карпычев, В.А., Методика оценки тормозных нажатий / В .А. Карпычев, П.А. Андреев // Мир транспорта. - 2011. - №4(37). - С. 16-20.

3. Карпычев, В.А. К вопросу оценки и контроля тормозных нажатий колодок на колеса в зависимости от положений рычагов при регулировках рычажной передачи тележки 18-100 / В.А. Карпычев, Г.Б. Никитин, П.А. Андреев // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. - 2013. - №5. - С.43-47.

2 Научные публикации в других изданиях:

4. Карпычев, В.А. Качественный анализ особенностей влияния уменьшения коэффициента сцепления колеса с рельсом и обезгрузки колесной пары на вероятность появления юза / В.А. Карпычев, П.А. Андреев // Качество и жизнь. - 2010. - №4. - С.49-54.

5. Андреев, П.А. Факторный анализ вероятности юза / П.А. Андреев // Соискатель (Приложение к журналу Мир транспорта). - 2010. - №2. -С.37-40.

6. Карпычев, В.А. Качественный анализ структурной схемы неблагоприятных событий, приводящих к юзу колесной пары грузового вагона / В.А. Карпычев, П.А. Андреев // Труды Восьмой научно -практической конференции «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2007.-VI-21.

7. Андреев, П.А. Оценка влияния фактора обезгрузки На условие невозникновения юза колесной пары при торможении грузового вагона на уклоне / П.А. Андреев // Труды Десятой научно - практической конференции «Безопасность движения поездов». — М.: МИИТ, 2009. - VII -5.

Андреев Павел Александрович

Обоснование параметров тормозной системы грузовых вагонов из условия недопущения юза колесной пары

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать /&/1 ^¿УЙаказ № Формат 60x90/16 Тираж 80 экз. Усл. печл. 1,5

127994, Москва, ул. Образцова, д.9, стр.9, УПЦ ГИ МИИТ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

МГУПС (МИИТ)

На правах рукописи

04201451697

АНДРЕЕВ ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТОРМОЗНОЙ СИСТЕМЫ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ ИЗ УСЛОВИЯ НЕДОПУЩЕНИЯ ЮЗА

КОЛЕСНОЙ ПАРЫ

05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Карпычев Владимир Александрович

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ......................................................................................................................7

1.1 Тенденции развития тормозных систем отечественных грузовых вагонов. Выбор объекта исследований...............................................................................................................................7

1.2 Выбор основы для проведения оценки параметров тормозной системы грузовых вагонов .....................................................................................................................................................13

1.2.1 Анализ работ, проводившихся в области развития тормозной техники.........................13

1.2.2 Анализ распределения отцепок грузовых вагонов в текущий ремонт по неисправностям основных узлов.............................................................................................18

Выводы по главе 1..........................................................................................................................21

2 ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ СОБЫТИЙ, ИМЕЮЩИХ НАИБОЛЬШИЙ

ПРИОРИТЕТ ПРИНЯТИЯ К ИССЛЕДОВАНИЯМ В ВЫБРАННОМ НАПРАВЛЕНИИ 22

2.1 Анализ имеющихся наработок по дереву отказов, составленному по вершинному событию, учитывающему явление юза колесной пары грузового вагона...........................22

2.2 Группировка элементарных событий и определение особенностей влияния структуры их связей в дереве на вероятность появления юза......................................................................24

2.3 Анализ влияния элементарных событий, имеющих последовательную структуру связи, на вероятность появления вершинного события....................................................................29

2.4 Анализ влияния элементарных событий, имеющих параллельную структуру связи, на вероятность появления вершинного события.........................................................................33

2.5 Анализ влияния элементарных событий, имеющих последовательно-параллельную структуру связи, на вероятность появления вершинного события......................................38

2.6 Ранжирование элементарных событий по степени приоритетности принятия к исследованиям в зависимости от структуры их связей в дереве..........................................45

2.7 Обоснование выборки элементарных событий, приоритетных для дальнейших исследований.............................................................................................................................47

Выводы по главе 2..........................................................................................................................56

3 ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ТОРМОЗНОЙ СИСТЕМЫ, КАК ГРАНИЦ НАСТУПЛЕНИЯ

СОБЫТИЙ, ПРИВОДЯЩИХ К ЮЗУ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ..................................................57

3.1 Формализация и количественная оценка условий наступления событий..........................57

3.2 Поиск значений переменных параметров тормозной системы из условия нулевого запаса по сцеплению на порожнем режиме воздухораспределителя...................................67

3.3 Определение границ фактической области реализации юза вследствие обезгрузки колесной пары на порожнем режиме воздухораспределителя.............................................74

3.3.1 Методика оценки влияния обезгрузки колесной пары на запас по сцеплению..............74

3.3.2 Количественная оценка влияния обезгрузки колесной пары на запас по сцеплению на порожнем режиме автотормоза................................................................................................82

Выводы по главе 3..........................................................................................................................95

4 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПОЛОЖЕНИЙ ТОРМОЗНОЙ РЫЧАЖНОЙ ПЕРЕДАЧИ НА ГРАНИЦЫ НАСТУПЛЕНИЯ СОБЫТИЙ.................................................96

4.1 Обоснование расчетной схемы...............................................................................................96

4.2 Структура и обобщенный алгоритм определения положений звеньев рычажной передачи тележки грузового вагона с односторонним нажатием колодок на колеса.........................98

4.3 Обоснование расположения основной, местной и вспомогательной систем координат 102

4.4 Определение положений звеньев механизма ТРП тележки грузового вагона................105

4.4.1 Определение положений звеньев первого узла подвеска - триангель...........................105

4.4.2 Определение положений звеньев узла серьга соединения с мертвой точкой -вертикальный рычаг................................................................................................................114

4.4.3 Определение положений звеньев второго узла подвеска - триангель...........................119

4.4.4 Определение положений звеньев узла вертикальный рычаг - по доеная тяга..............123

4.4.5 Проверка корректности реализованного решения для определения координат звеньев механизма ТРП тележки грузового вагона...........................................................................128

4.5 Разработка методики силового анализа рычажной передачи тележки.............................132

4.5.1 Определение усилия, приведенного от тормозного цилиндра к рычажной передаче тележки.....................................................................................................................................132

4.5.2 Определение усилий нажатия колодок на колеса для механизма рычажной передачи тележки.....................................................................................................................................134

4.6 Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных тормозных нажатий колодок на колеса........................................................................................................................................146

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

166

ВВЕДЕНИЕ

Согласно распоряжению Правительства Российской Федерации от 17.06.2008 №№ 877-р «О Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» среди прочих к грузовым вагонам нового поколения предъявляется требование увеличения наработки вагона на отказ на 30 - 40 %.

Предъявляемое требование касается увеличения надежности функциональных узлов грузовых вагонов. Тормозная система является одним из основных функциональных узлов грузового вагона, обеспечивающим безопасность движения. Под надежностью тормозной системы подразумевается не только обеспечение работоспособности ее агрегатов в течение заявленного срока межремонтного пробега вагона, но и обеспечение условий эффективного и безъюзового торможения.

Проблемность обеспечения безъюзового торможения обусловлена также большой долей (10-12%) отцепок грузовых вагонов в текущий ремонт вследствие образования на поверхностях катания колесных пар ползунов, выщербин и наваров, являющихся, помимо прочего, следствием различного по продолжительности юза колесной пары.

В эксплуатации на трибосистему колодка-колесо-рельс воздействует множество факторов, ухудшающих условия ее нормальной работы и имеющих различную природу происхождения.

Надежность работы тормозной системы является универсальным показателем, позволяющим охватить факторы с различной природой происхождения. Кроме того, это системный показатель, позволяющий учитывать причинно-следственные связи факторов в эксплуатации. Одним из методов системного анализа является метод построения дерева отказов, позволяющий учесть влияние различных сочетаний факторов на работу тормозной системы. Поэтому на основе дерева отказов возможно выполнить системное обоснование параметров тормозной системы грузовых вагонов из условия недопущения юза колесной пары.

Степень разработанности темы исследования. В области совершенствования грузовой тормозной техники можно выделить следующие направления проведения научных исследований:

- разработка тормозного оборудования (И.К. Матросов, В.И. Крылов, В.Г. Иноземцев,

A.B. Казаринов и др.);

- совершенствование процессов управления автотормозами грузовых поездов (В.Г. Иноземцев, Б.Л. Карвацкий, C.B. Вершинский, Анисимов П.С. и др.);

- трибология (Буше H.A., Чичинадзе A.B., Крагельский И.В. и др.);

- ремонт и совершенствование узлов и агрегатов тормозных систем (В.Г. Иноземцев,

B.А. Щепетильников, В.Р. Асадченко, В.В. Соломатин, Синицын В.В. и др.)

- оптимизация параметров надежности и безотказности работы приборов тормозной системы (Устич П.А., Карпычев В.А.).

Задача обоснования параметров тормозной системы грузовых вагонов является сложной. Сложность обусловлена не только многофакторностью, но и качественным разнообразием факторов, в частности, приводящих к юзу колесной пары. Поэтому за направление исследований принято направление на основе теории надежности, позволяющее систематизировать и унифицировать анализ неблагоприятных факторов.

Цель и задачи. Обоснование параметров тормозной системы грузовых вагонов из условия недопущения юза колесной пары. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ имеющихся наработок в выбранном направлении исследований и выбор основы для их проведения;

- анализ влияния структуры связей элементарных событий в дереве отказов на вероятность реализации вершинного события (юз колесной пары) с последующим ранжированием событий по убыванию влияния;

- обоснование выборки элементарных событий, имеющих наибольший приоритет принятия к исследованиям и согласующихся с выбранным направлением исследований;

- переход от событий выборки к параметрам тормозной системы (ТС) посредством формализации условий свершения событий на основе известной методики тормозного расчета автотормоза грузовых вагонов;

- формирование областей свершения событий выборки из сочетаний допускаемых значений параметров ТС;

- обоснование параметров ТС посредством решения задачи о границах событий;

- оценка влияния износа колодок и колес на параметры ТС из условия безъюзового торможения вагона.

Объектом исследований является одноцилиндровая симметричная тормозная система грузовых вагонов, оборудованная композиционными колодками.

Предметом исследований является обоснование параметров тормозной системы грузовых вагонов на основе дерева отказов и из условия недопущения юза колесной пары.

Научная новизна работы заключается в использовании одного из методов системного анализа при решении многофакторной задачи обоснования параметров тормозной системы грузовых вагонов из условия недопущения юза колесной пары.

Теоретическая значимость проведенных исследований заключается в том, что:

- разработана методика системного обоснования параметров тормозной системы грузовых вагонов с учетом причинно-следственных связей между событиями, приводящими к возникновению юза колесной пары;

- выполнен переход от событий к параметрам тормозной системы через формализацию условий наступления этих событий;

- введены понятия максимальной вынужденно допускаемой, нештатной (реализуемой) и штатной (расчетной) обезгрузок колесной пары, реализуемых при торможении вагона;

- разработана методика оценки влияния износа колес и колодок на параметры тормозной системы применительно к рычажной передаче грузовой тележки с односторонним нажатием.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

- обоснованы параметры тормозной системы грузовых вагонов, как границы фактической области свершения события, учитывающего появление юза колесной пары вследствие ее обезгрузки, что позволяет сформировать условия наблюдения за событием в эксплуатации и позволило обосновать параметры тормозной системы из условия недопущения юза вследствие обезгрузки колесной пары;

- установлены диапазоны и характер изменения тормозных нажатий колодок на колеса, позволяющие судить об устойчивости трибосистемы колодка-колесо-рельс к невозникновению юза колесной пары в процессе эксплуатации.

Методология и методы исследования. В рамках проведенных исследований использованы следующие методы: системного анализа неблагоприятного события на основе построенного дерева отказов; метод типового расчета тормоза грузовых вагонов; метод определения дополнительных вертикальных усилий, действующих на подвижной состав при торможении; метод определения координат точек; метод структурного анализа и синтеза механизмов; уравнения статики; ряд фундаментальных математических положений (тригонометрия, теоремы и пр.).

Положения, выносимые на защиту. Обоснование параметров тормозной системы грузовых вагонов из условия недопущения юза колесной пары с позиций: системного подхода из теории надежности; формализации событий, приводящих к юзу, с последующей количественной оценкой параметров тормозной системы, как границ свершения событий; кинетостатического анализа механизма рычажной передачи.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается экспериментальными данными, проверочными расчетами по разработанным программам, а так же хорошей сходимостью результатов расчетов по разработанным программам с результатами расчетов, полученными по известным методикам.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: VIII и X научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов», , научно-техническом совете ОАО «Транспневматика» (2010г.), научно-техническом совете ACTO (2010г.), кафедре «Вагоны и вагонное хозяйство»(2011, 2012г.г.), кафедре «Машиноведение, проектирование, стандартизация и сертификация»(2009, 2012, 2013г.г.).

1 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОГО

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Тенденции развития тормозных систем отечественных грузовых вагонов. Выбор объекта

исследований

Повышение требований грузоотправителей и принцип успешной конкуренции с другими видами транспорта обуславливают тенденцию развития технических показателей вагонов нового поколения посредством увеличения грузоподъемности, скоростей обращения и надежности работы.

Согласно распоряжению Правительства Российской Федерации от 17.06.2008 №№ 877-р «О Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» наблюдается ужесточение требований к грузовым вагонам нового поколения. Для наглядности в таблицу 1.1 сведены сравнительные данные по техническим характеристикам инвентарных и новых грузовых вагонов [1].

Таблица 1.1 Основные отличия грузовых вагонов по техническим характеристикам

№ Технические параметры Вагоны инвентарного Вагоны нового

п/п парка поколения

1 Грузоподъемность, т 60-70 71...75

2 Статическая нагрузка, т 57,8 62...69

3 Нагрузка на ось,т < 23,25 18...25

4 Продольная сила,т <300 350

5 Конструкционная

скорость, км/ч 120 120...160

6 Допустимая скорость (РФ) 90 110...140

7 Межремонтный 2-после изготовления и 3 или 450 тыс. км.

пробег, год КР 1 - после ДР пробега

8 Средняя частота отказов/ год:

полувагоны 7,78 0,8

крытые 12,56 0,6

цистерны 6,44 0,5

платформы 4,31 0,5

Сравнительный анализ характеристик позволяет выделить тенденцию к увеличению конструкционной скорости на существенную для грузового подвижного состава величину -

40 км/ч, которое подразумевает соответствующую модернизацию ходовых частей из-за изменения динамики движения вагона. Отсюда прослеживается логическая связь с увеличением допустимой скорости на путях России с 90 км/ч до 140 км/ч.

Увеличение скоростей обращения вагонов инициирует возрастание составляющих внешних и внутренних сил (например, сила инерции груза), воздействующих на вагон. В частности в новых требованиях закладывается увеличение продольной составляющей силы с 300 до 350 тонн, что обуславливает не только усиление конструкции кузова и рамы вагона, но и повышение требований к рабочим характеристикам ударно-тяговых приборов. Этот момент увязывается с повышением одной из основных технических характеристик такой, как грузоподъемность на 1+5 тонн.

Увеличение грузоподъемности характеризуется изменением максимально допустимой осевой нагрузкой, возросшей с 23,25 до 25 т/ось. Проблематика увеличения данного параметра касается, в первую очередь, технического соответствия и готовности пути. Необходимо отметить возрастание статической нагрузки на 7+20%, то есть с 57,8 до 62+69 тонн соответственно.

Наиболее принципиальное отличие по требованиям к вагонам инвентарного парка и вагонам нового поколения заложено в критерии средней частоты отказов за год, при чем сделано разделение по основным типам грузовых вагонов:

- для полувагонов заложено снижение числа отказов почти в 10 раз (7,78 против 0,8);

- для крытых - почти в 21 раз (12,56 против 0,6);

- для цистерн - почти в 13 раз (6,44 против 0,5);

- для платформ - почти в 9 раз (4,31 против 0,5).

Снижение числа отказов на фоне увеличения срока межремонтного пробега до 450 тыс. км или срока с 1-2 до 3 лет.

Роль надежности в формах безотказности, долговечности, работоспособности и контролепригодности отдельных узлов и вагона в целом возрастает во много раз в виду того, что большинство предпосылок по увеличению качественных и количественных показателей вагонов нового �