автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Оценка и прогнозирование надежности локомотивов на основе тяговых расчетов

министерство путей сообщения российской федерации

петербургский государственный университет

путей сообщения .

*/>/% /¿У

!>Т ? С / Г У /'

/ V/ / "

/

На правах рукописи УДК 629.4.015.12

Исаев

Александр Владимирович

ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЛОКОМОТИВОВ НА ОСНОВЕ ТЯГОВЫХ РАСЧЕТОВ

05.22.07: "Подвижной состав железных дорог и тяга поездов"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Виктор Васильевич Стрекопытов

Научный консультант — кандидат технических наук, профессор Геннадий Сергеевич Афонин

Санкт-Петербург 1999

содержание

Введение...........................................................................................................4

Глава 1. Общий обзор......................................................................................8

1.1 .Обзор и анализ работ, посвященных влиянию условий эксплуатации на надежность тягового подвижного состава...........................................................8

1.2. Пути и средства повышения надежности ТПС.....................................20

1.3. Математические методы, применяемые для описания суперсложных систем..................................................................................................................23

Глава 2. Применение тяговых расчетов для оценки надежности локомотивов........................................................................................................................32

2.1. Необходимость оценки надежности локомотива с помощью тяговых расчетов...............................................................................................................32

2.2. Определение и выбор энергетических показателей работы локомоти ва..........................................................................................................................36

2.3. Способ определения вероятности безотказной работы локомотива при изменяющихся во времени условиях эксплуатации.........................................48

2.4. Расчет коэффициента режимной нагрузки и его использование для прогноза показателей надежности...................................................................55

Глава 3. Определение дополнительного удельного сопротивления движению от кривой при тяговых расчетах..............................................................57

3.1. О точности определения дополнительного удельного сопротивления движению от кривой.................................................................................57

3.2. Уточненный способ определения дополнительного удельного сопро тивления движению от кривой........................................................................63

3.3. Применение методов регрессионного анализа для определения дополнительного удельного сопротивления движению от кривой............................71

Глава 4. Оценка технического состояния тягового подвижного состава на основе тяговых расчетов.....................................................................................78

4.1. Анализ технического состояния тепловозов 2М62 в эксплуатации.......................................................................................................................78

4.2. Определение коэффициента режимной нагрузки тепловозов 2М62 в поездной работе на учаспсе Дно-Сущево и прогноз показателей надежности.....................................89

Заключение....................................................................................................93

Список существующей и использованной литературы......................97

Приложения..................................................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

Развитие железнодорожного транспорта России предполагает совершенствование тягового подвижного состава (ТПС). Процесс совершенствования неотделим от работ как по повышению надежности эксплуатируемого ТПС, так и по обеспечению заданного уровня ее при проектировании. Практика создания и эксплуатации отечественных локомотивов показывает, что проблема надежности становится определяющим фактором в деле повышения эффективности работы ТПС и всего железнодорожного транспорта.

Современный локомотив состоит из отдельных сборочных единиц и агрегатов, имеющих различный ресурс. Это связано с различным их назначением, условиями работы и свойствами материалов. Добиваться одинакового ресурса всех элементов экономически нецелесообразно, так как существуют некоторые агрегаты и сборочные единицы, у которых ресурс строго ограничен по различным причинам. Вместе с тем, существующая планово-предупредительная система ремонта ТПС не обеспечивает безотказную работу локомотива в межремонтный период.

К тому же, существующие способы оценки надежности ТПС в эксплуатации не позволяют достоверно определить этот показатель, так как не существует метода определения пригодности локомотива к работе в конкретных условиях. Существующие методы расчета (в том числе и тяговые) дают лишь возможность оценить работу некоторых элементов - но не локомотива в целом.

Поэтому одной из задач повышения эксплуатационной надежности ТПС является задача совершенствования способов оценки надежности локомотивов.

Актуальность работы.

На долю локомотивного хозяйства приходится около 11,5% основных фондов и почти 37% эксплуатационных расходов железных дорог. По состоянию на 1998 год расходы на техническое обслуживание (ТО) локомотивов составляют 11% эксплуатационных расходов железных дорог Российской Федерации, Из эксплуатационных расходов Октябрьской железной дороги по локомотивному хозяйству на ТО локомотивов приходится около 7,3%, в которые, по данным 1991-1995 гг., входят от 1 до 3,9% расходов только на ТР2 и ТРЗ всех видов тягового подвижного состава.

Примерно 66% внеплановых ремонтов производится из-за неудовлетворительного деповского ремонта, причем ремонтом локомотивов занято более 20% персонала депо. Затраты на ремонт ТПС в депо составляют 25% от общих расходов локомотивного хозяйства с учетом реновации. Средства, затрачиваемые на ремонт и восстановление подвижного состава в течение срока его службы, значительно больше его первоначальной стоимости. Поэтому исследования, направленные на совершенствование методов повышения эксплуатационной надежности ТПС, являются важными и актуальными.

Работа является составной частью исследований, выполненных на кафедре "Локомотивы и локомотивное хозяйство" Петербургского государственного университета путей сообщения.

Цель работы заключается в разработке методов оценки и прогнозирования надежности локомотивов на основе тяговых расчетов.

В соответствии с этим сформулированы следующие задачи:

а) Теоретический анализ способов оценки надежности ТПС в эксплуатации;

б) Анализ существующих методов тяговых расчетов и определению показателей, пригодных для оценки технического состояния ТПС;

в) Разработка методики расчета этих показателей для различных условий эксплуатации ТПС;

г) Выполнение расчетов по разработанной методике для конкретного полигона эксплуатации ТПС,

Научная новизна работы заключается в следующем:

а) Разработан способ оценки надежности ТПС, отличающийся от ранее выполненных исследований тем, что исходными данными для расчета надежности являются величины, полученные при тяговом расчете - энергетические показатели движения поезда;

б) Для определения дополнительного удельного сопротивления от кривой при тяговом расчете применены уточненная формула и метод регрессионного анализа;

в) Предложена математическая модель запаса надежности.

Практическая ценность работы.

Предложенная методика дает возможность оценить надежность локомотива на стадии тягового расчета, а также произвести прогноз надежности при изменении условий эксплуатации.

Апробация и реализация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены: на 54-й, 57-й и 58-й научно-технических конференциях ПГУПСа (1994, 1997 и 1998 гг.); на научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов СпбГАУ (1998 г.); на научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» МГУПСа-МИИТа

(1998 г.); на Третьей Ассамблее молодых ученых С.-Петербурга (1998 г.); на Восьмой Международной научно-технической конференции «Проблемы развития рельсового транспорта» (Украина, 1998 г.); на заседаниях кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ПГУПС (1993-99 гг.) а также на технических советах депо Дно и Санкт-Петербург-Витебский Окт.ж.д. Результаты работы используются в учебном процессе при чтении курса лекций и проведении практических занятий по дисциплинам: «Основы надежности и технической диагностики локомотивов», «Теория и конструкция локомотивов», «Автотормоза и безопасность движения» и «Теория локомотивной тяги».

Предложенные способы анализа и оценки надежности ТПС использовались в НИР ОНИЛ "Автоматика локомотивов" ПГУПСа, а также в депо Санкт-Петербург-Витебский Окт.ж.д.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав текста, заключения, списка использованной литературы и приложений.

ГЛАВА 1 ОБЩИЙ ОБЗОР

1.1. Обзор и анализ работ, посвященных влиянию условий эксплуатации на надежность тягового подвижного состава

С началом интенсивного применения на железных дорогах дизельного и электрического тягового подвижного состава возникла проблема оценки надежности как локомотива в целом, так и составляющих его систем и элементов. Теория надежности в то время была сравнительно молодой наукой; ее методы использовались, в основном, для расчетов невосстанавливаемых объектов. Соответственно, диапазон применения методов теории надежности был в то время весьма узок и специфичен. Однако использование ее в локомотивном хозяйстве дало весьма положительный эффект: за довольно короткий период (60-е..80-е годы) были разработаны и проверены опытным путем основные способы оценки надежности как единиц ТПС, так и их элементов. При этом исследования велись по нескольким направлениям, которые можно разделить на четыре группы:

1. Установление влияния эксплуатационных условий на надежность единицы ТПС или ее элементов.

2. Оптимизация (по условиям безотказности, минимизации расходов и т.п.) системы ремонта ТПС.

3. Определение критериев надежности ТПС и разработка методик их расчета.

4. Разработка технологических средств повышения надежности элементов ТПС.

Анализу надежности различных видов ТПС в условиях эксплуатации посвящены следующие работы:

дизельный подвижной состав - [34,63,103,104,111,114,155]; электрический подвижной состав - [17, 44, 75, 88,146,161]. Из работ, посвященных анализу надежности подвижного состава других видов, следует выделить [136].

Надежности электрических машин локомотивов посвящены труды П.К.Балычева [14]; В.Г.Гультяева [27]; И.П.Исаева [67]; Л.К.Пойлова [137]; В.В.Стрекопытова [169], а также других авторов [168,200].

Исследование надежности тепловозных ДВС и влиянию на нее режимов работы остается, пожалуй, одним из самых распространенных приложений теории надежности локомотивов. Эти вопросы отражены в трудах А.М. Александрова [2, 3]; А.К.Белоглазова [15]; В.И.Варавы [23]; А.И.Володина [30]; В.Е.Демьянова [8]; П.М.Егунова [56]; Е.С.Павловича [8,

121, 122]; Л.К.Пойлова [2, 3,138]; Ю.М.Русакова [156]; А.А.Серегина [8, 121,

122, 157]; В.АЛетвергова [8, 121,122, 157] и других [12, 91,126]. Повышение эффективности системы ремонта локомотивов отражено в работах В.А.Беляева [6]; Т.В.Бутько [21, 22]; И.Н.Глущенко [35]; А.Т.Головатого [38, 39]; Н.Г.Лугинина [162]; Е.С.Павловича [128];

A.Б.Подшивалова [162]; М.Д.Рахматулина [150, 151]; А.А.Серегина [128];

B.Т.Стрельникова [171]; Э.Д.Тартаковского [79, 146, 173]; В.А.Четвергова [128, 192, 193, 194], Г.Ф.Яковлева [202] и других [75, 81, 89, 90, 109, 111, 115, 154, 189,199].

М.Д.Рахматулин в своих работах высказал предположение, что существует зависимость между износом дизеля и расходом топлива; учет степени загрузки дизеля необходимо производить по фактическому расходу топлива.

Для этого первоначально определялся фактический показатель использования мощности тепловозов каждой серии <р, который для магистральных тепловозов имел вид

где <2К - условная масса состава брутто, т.;

е - расход дизельного топлива тепловозами данной серии за определенный период на измеритель работы, кг/ткм брутто. Вычисление е не представляет труда:

где Оп - расход топлива за определенный период (поездку, месяц, квартал, год и т.п.), кг.;

А - выполненная тепловозами данной серии перевозочная работа за тот же период, ткм брутто.

В [151] вводится понятие: средняя условная масса состава, которая находится из условия

<р = 0ус-е,

(1.1)

Оус =

А

(1.3)

1

где 8]...5 - пробеги тепловоза, соответственно: во главе поезда, в двойной тяге, в подталкивании, в одиночном следовании и условный пробег, выполненный тепловозами данной серии за определяемый период, км.

Чтобы учесть возможный пробег магистральных тепловозов резервом, в подталкивании, с «легкими» поездами и условный пробег при работе на данном участке, М.Д.Рахматулин в тех же работах среднюю условную массу состава рекомендует принять как <2ус = (0,7...0,9)(), где <2 - масса состава, найденная тяговыми расчетами.

Так как при тяговом расчете устанавливаются две весовых нормы: унифицированная (графиковая) и предельная (расчетная), то более целесообразно, на наш взгляд, ^представлять в виде

а-4)

где к - коэффициент участка,

<2бр - графиковый вес поезда брутто, т.

Коэффициент участка на практике возможно определить лишь для какого-то периода при достаточно большом объеме статистических данных и условии стабильности грузопотока в данный период. Кроме того, фактическое полное сопротивление движению поезда зависит от многих факторов; для каждой поездки корреляция сопротивления движению и массы поезда может быть определена лишь в процессе поездки или после нее [197]. Поэтому использование такого понятия, как "средняя условная масса составадля анализа фактической загрузки локомотива неприемлемо.

Для определения интенсивности загрузки дизелей различных тепловозов М.Д.Рахматулин вводит коэффициент загрузки дизеля V, вычисляемый для магистральных тепловозов по формуле

У _ утехн * Ф ^ ^

где Утехн - техническая скорость, км/ч;

gм - часовой расход топлива дизелем данного тепловоза при работе на максимальной мощности, кг/ч.

Техническая скорость легко рассчитывается на основе анализа Маршрута локомотивной бригады ф. ТУ-3 (или скоростемерной ленты) как

где ¿у - длина участка обращения локомотива;

Ту - общее время хода локомотива с поездом по участку; 2 Тст - общее время стоянок.

Произведение £ Тст) является возможным расходом топлива тепловозом при следовании его только в режиме полной мощности и обозначается как Ом.

Таким образом, формула (1.5) примет вид:

(1.6)

У =

(1.7)

В [156] Ю.М.Русаков, преобразовав (1.7) относительно (2бР и, полагая V = Ушах, получил

бу^^Ч (1.8)

техи

или - с учетом (1.6) -

к-е-Ьу

Однако такие величины, как Ом, утехн, е и V могут быть определены лишь после поездки. Их соотношение зависит от режима ведения поезда, который предсказать невозможно [94]. Использование же <2ус вообще становится неприемлемым, так как этот усредненный показатели нельзя использовать совместно с реальными значениями (Эм, утехн,е и V, которые для каждой поездки индивидуальны. Следовательно, расчет допускаемого веса поезда по формулам (1.8) и (1.9) невозможен.

Помимо этого, при подстановке в формулу (1.7) зависимости (1.2) и представлении перевозочной работы как А =(2бр$у формула (1.7) приобретает вид

у=-^-^-. (1.10)

ём ' Обр ' Зу ' (Ту - 2Тст )

После сокращения получаем:

к-Сп

У =--. (1.11)

Ом

То есть, физический смысл коэффициента загрузки дизеля заключается в сопоставлении фактического расхода топлива с тем, который мог бы быть при постоянной езде в режиме полной мощности (что маловероятно).

Однако ценность работ М.Д.Рахматулина заключается в том, что еще в 1960г. была высказана идея о дифференциации межремонтного пробега тепловоза в зависимости от конкретных условий работы и установлена корреляция между расходом топлива и загрузкой локомотива.

Данная работа не ставила вопрос об экономической целесообразности межремонтных пробегов. Этот вопрос рассмотрен в [198], где при определении межремонтного пробега учитывались экономические показатели эксплуатации и ремонта тепловозов. Исследования [97] показали, что для определения межремонтного пробега необходимы также данные по фактической безотказности и долговечности агрегатов исследуемых элементов тепловоза.

Интерес представляют исследования МИИТа по надежности и рационализации межремонтных пробегов электроподвижного состава (ЭПС), проводимые под руководством проф. И.П.Исаева [28, 65, 66]. В основу системы ремонта был положен принцип кратности межремонтных пробегов. Оптимизация межремонтного пробега производилась по критериям минимума приведенных затрат.

Одним из эффективных средств повышения надежности ТПС является техническая диагностика. Теоретическим и практическим вопросам использования средств технической диагностики посвящены труды И.А.Биргера [16]; Г.Ф.Верзакова [25]; Г.Ф.Конаховича [52], А.В.Мозгалевского [105, 106, 107] и др. [132, 139]. На железнодорожном транспорте вопросами диагностики занимались Б.Е.Боднарь [19]; А.А.Босов [19, 20]; Е.С.Павлович [130]; И.Ф.Пуппсарев [169]; Е.К.Рыбников [147]; Э.Д.Тартаковский [186]; А.З.Хомич [186] и другие [33].

Теоретические вопросы надежности также получили отражение в работах И.П.Исаева [65, 66, 67]; Е.С.Павловича [45, 77, 110, 129, 131, 141]; В.П.Парамзина