автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение надежности работы тягового привода электровоза ЧС-2

На правах рукописи

ИВАНОВ Виталий Викторович

РГБ ОД

* 7 АПР 2000

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ТЯГОВОГО ПРИВОДА ЭЛЕКТРОВОЗА ЧС-2

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САМАРА 2000

Работа выполнена на кафедре «Локомотивы» Самарского института инженеров железнодорожного транспорта.

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор ПАВЛОВИЧ Евгений Станиславович

Научные консультанты —

кандидат технических наук, профессор ПРОСВИРОВ Юрий Евгеньевич

доктор технических наук, доцент КУДЮРОВ Лев Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ГОРСКИЙ Анатолий Владимирович

кандидат технических наук, профессор РАМЛОВ Владимир Александрович

Ведущее предприятие - Локомотивная служба Куйбышевской

железной дороги

Защита диссертации состоится 2000 г. в х.С. час.

на заседании диссертационного совета Д 114.05.05 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 101475, ГСП, Москва, А-55, ул. Образцова, 15, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан . 2000 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес Совета университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^—

доктор техн. наук, профессор в.Н. Филиппов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время требуется, как известно, обеспечение эффективной и качественной работы всех звеньев железнодорожного транспорта и, в первую очередь, его локомотивного хозяйства. Важным направлением в повышении надежности локомотивов, наряду с оптимизацией межремонтных пробегов по лимитирующему узлу, является создание современных и совершенствование существующих конструкций подвижного состава железных дорог.

Первые электровозы ЧС-2 появились на Куйбышевской железной дороге в 1964 году, последние - в 1972 г. Срок службы данных электровозов составляет 28 лет. Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод о практически полной выработке ресурса эксплуатации данного типа пассажирских электровозов, но в связи с тяжелым финансовым положением и практическим отсутствием отечественных пассажирских электровозов постоянного тока необходимо предпринять все возможные меры по поддержанию тягового подвижного состава в работоспособном состоянии, повышению надежности и безопасности эксплуатации.

Наиболее слабым узлом, в отношении надежности локомотива, является тяговая передача электровоза ЧС-2

Поэтому разработка, на базе комплексных,исследований, методов повышения надежности работы тягового привода электровоза ЧС-2, в области технологического аспекта проблемы, являются одним из главных направлений. Все это составляет актуальную научно-техническую и народнохозяйственную проблему совершенствования подвижного состава железных дорог.

Тема диссертационной работы соответствует «Основным направлениям развития железнодорожного транспорта и социально-экономической политики отрасли на период до 2005 года».

Целью диссертационной работы является повышение надежности, и соответственно безотказности, тягового привода электровоза ЧС-2 за счет уменьшения вибрационных нагрузок.

Для достижения указанной цели в диссертации поставлены следующие задачи:

1) провести анализ существующих путей повышения надежности электровоза ЧС-2;

2) проанализировать состояние локомотивного парка пассажирских электровозов ЧС-2;

3) оценить надежность тяговой передачи;

4) смоделировать и исследовать движение системы «вал двигателя -редуктор - колесная пара»;

5) разработать метод повышения надежности лимитирующего узла;

6) выполнить экспериментальные исследования в условиях эксплуатации и определить экономическую эффективность данное методики.

Методика исследования. Решение поставленных зaдa^ проводилось с использованием уравнения Лагранжа второго рода дл; решения задачи моделирования движения рассматриваемой системы зависимости между нагрузкой и деформацией, выраженной уравнениеп Альмена-Лапласа и математической статистики при обработке данных Результаты применения метода повышения надежности тяговоп привода проверялись экспериментально с помощью опытной контрольной партий электровозов ЧС-2 на Куйбышевской железно дороге.

Научная новизна работы

- по фактическим данным рассчитана и исследована реальная надежность тяговой передачи (шлицевого соединения) электровоза ЧС-2;

- разработана математическая модель движения системы «вал двигателя - тяговый редуктор - колесная пара»;

- математически обоснована периодическая составляющая осевой силы, действующей на узлы крепления «рубашки» подшипника вала малой шестерни;

- разработан метод повышения надежности тягового привода.

Практическая ценность

- с помощью предложенного метода была повышена надежность тягового привода;

- экспериментальные исследования подтвердили уменьшение количества неплановых ремонтов и как следствие финансовых затрат на ремонт.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на межвузовских научно-технических конференциях с международным участием (Самара, 1996, 1997 г.г.), на отраслевой научно-технической конференции «Аетуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (Ростов-на-Дону, 1998 г.), на семинарах электромеханического факультета СэмИИТа (Самара, 1996-1999 г,г.) и на семинаре кафедры «Электрическая тяга» МИИТа (Москва, 1999 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять научных статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников, включает 119

страниц машинописного текста, 22 рисунка. Перечень использованных источников состоит из 64 наименований.

Основное содержание работы

Во введении показана актуальность решения рассматриваемой научно-технической задачи, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе приведен анализ существующих путей решения поставленной задачи - способов повышения надежности локомотивов. Существует четыре направления повышения надежности: технологическое, эксплуатационное, конструкторское и организационное. Приведен анализ изменения межремонтных пробегов электровозов в России и за рубежом. Рассмотрены труды Горского A.B., Воробьева A.A., Исаева И.П., Козырева В.А., Павловича Е.С., Четвергова В.А., Лодшивалова А.Б., Виноградова Ю.Н., Коновалова И.Е., Озембловского Б.Ч., Стрельникова В.Т., Тартаковского Э.Д. и др. посвященные повышению надежности эксплуатации локомотивов путем оптимизации межремонтных пробегов. Также было уделено внимание работам Куприянова А.Г., Орлова В.В., посвященных решению повышения надежности электровоза конструкторским путем.

Анализ работ по повышению надежности работы электровозов показывает, что для решения поставленной задачи необходимо учитывать региональные особенности эксплуатации локомотивов.

Для выбора лимитирующего узла был проведен анализ неплановых ремонтов электровозов ЧС-2. На рис. 1 и 2 приведены гистограммы распределения количества отказов по видам оборудования (разбиение электровоза было проведено по принципу однотипности конструкций, режимов работы, нагружения) и по механическому оборудованию (рассмотрены наиболее крупные узлы). Данные для анализа были собраны за 5 лет, что позволило выполнить требования

полноты и непрерывности информации о неплановых ремонтах, и картина состояния электровозов приписного парка получается наиболее полной.

Анализ внеплановых ремонтов по видам оборудования за 1394-1998 г.г.

Рис. 1

Анализ неплановых ремонтов по механическому оборудованию

19Я4 (№9 «998 199Т 1Цв

Год

Рис. 2

Как видно из представленных гистограмм наиболее слабым узлом в отношении безотказности и как следствия надежности - является тяговая передача электровоза ЧС-2.

Во второй главе проводится анализ потока отказов и оценка надежности тяговой передачи электровоза ЧС-2. Собранные в депо данные о пробегах и отказах электровозов были статистически проанализированы, для чего, прежде всего, их сгруппировали по интервалам пробега.

Параметр потока отказов определяли в виде:

где дп, - число отказов в данном интервале пробега; и0 - число наблюдаемых элементов электровозов. По результатам вычислений была построена гистограмма параметра потока отказов представленная на рис. 3.

Гистограмма параметра потока отказов тяговой передачи электровоза ЧС-2

0-5О 50-100 Г 00-150 150-200 200-250 250-300 300-350

/, 10' АЛ

Рис. 3

Наработка на отказ для периода нормальной эксплуатации:

<я„

(ля определения вероятности безотказной работы электровоза ЧС-2 оспользуемся экспоненциальным законом вида

. (3)

Характер изменения вероятности безотказной работы по видам борудования электровоза в зависимости от пробега приведен на рис. 4.

Как видно из рис. 4, вероятность безотказной работы снижается юнее 80% примерно после 70 тыс.км пробега.

Вероятность безотказной работы тяговой передачи электровоза ЧС-2

0 ¡0 100 150 XX 250 300 350

I, тыскм

Рис. 4

В третьей главе представлена математическая модель движения ;истемы «вал двигателя - редуктор - колесная пара», выполнено ^тематическое обоснование переменной составляющей осевой силы ¡ействующей на узлы крепления «рубашки» подшипника вала малой иестерни.

Использование даламберова равновесия сил и моментов, ;ействующих на рассматриваемую механическую систему, а также

принятых допущений, позволило получить искомую силу в аналитическом виде:

ZM = С„ + С, COSÍ»,/ + С2 sin (£>,/ + С} COS2 + с4 sinJ ai,/ + ci sin COSül,/ + c6 sinf — 11 +

\2P }

[V \ . ( V ) . ( V V f V )

+ c7cos —t+a¡ +cssm —t costa^ + e^sin —t sm^í + c^cos —t+a3 cos<u,r + {2p J {2p ) \2p j {2p )

+ c11cos^^í+a3jsinü',/+e"A4c|2smi1( + cl3COs4/ + cusin^cos<»1/+c15cos¿/coscU|r+ ^

( V Л ( V \

+ cu sink¡ísintu,í + cn eoskf sin®,/ + clg sin k¡lsin!— tJ + eosk¡tsinl —/j +

+c,„sini,/cosf — í+a, l+c,, cosfc/cosf —— t + a, |) +

U p 3J \2p

+ e'2/"(a,A¡ sin2 k¡t+ а,Л2 sin k¡t eos k¡í + a2Al s\n k,teosk,t + a2A2 eos2 k¡t),

где коэффициенты c0~c2l можно считать постоянными (коэффициенты приведены в диссертации).

Как видно из (4), осевая сила имеет две составляющих: z, =с0 -постоянная составляющая и переменная z2(t) равная

2г (/) = с, cosff>,í + с2 sin а/ + с6 sinf — /1 + с, cosí — /+a¡ + е~'и (е)2 sin kxt+сп cos k¡t). (5)

{2р ) \2р }

В диссертации принято, что со стороны крышки на узел крепления «рубашки» подшипника оси малой шестерни действует периодическая переменная сила, обусловленная упругостью крышки, как пластины, закрепленной по контуру, которая определяется по формуле

P = c-ía-cospt, (6)

где с - жесткость крышки;

г0 - отклонение от положения статического равновесия по

радиусу крышки, z0=z„(г); р - частота колебаний. Таким образом, с одной стороны, на узел крепления «рубашки» подшипника оси малой шестерни действует сила zu, а с другой -периодическая сила р и суммарная сила упругости тарельчатой

пружины />„„. Так как все эти силы действуют параллельно оси малой шестерни, то на каждое резьбовое соединение будет ■ действовать периодическая составляющая, обусловленная упругостью крышки и тарельчатой пружины. Переменная составляющая осевой силы ги является возмущающей.

Показано, что эта сила обусловлена, в основном, инерционными факторами, связанными с движением колесной пары в вертикальном направлении в местах рельсовых стыков и на криволинейных участках пути, а также упругими свойствами крышки. Такая сила приводит к самораскручиванию и ослаблению традиционного болтового соединения, используемого в рассматриваемой конструкции. Для устранения этого явления и предлагается конструкция крепления «рубашки» подшипника вала малой шестерни с применением тарельчатых пружин, которые компенсируют переменную нагрузку и сохраняют, практически неизменным, напряжение в резьбовом соединении, что позволяет увеличить пробег до непланового ремонта.

В четвертой главе проведена разработка математического подхода для расчета зависимости между нагрузкой и деформацией, выведены формулы расчета тарельчатых пружин.

В различных областях техники для стабилизации контактного давления во времени широко используются тарельчатые пружины. Зависимость между нагрузкой и деформацией пружины выражается уравнением Апьмена-Ласло

где р - усилие, воспринимаемое пружиной; Е - модуль нормальной упругости; /- осевое перемещение одной пружины; 5-толщина стенки пружины;

ц - коэффициент Пуассона;

а - коэффициент, зависящий от отношения —;

11

И - наружный диаметр пружины;

к - высота ненагруженной пружины.

Важным параметром характеристики пружины является коэффициент жесткости

ж = —= 7-+ (8)

а/ ^-м'р-о21 -1 4

Для тяговой передачи главным является стабилизация (или минимизация) вибрации при всех возможных изменениях хода пружин. Иными словами важен тот участок характеристики пружин, когда при ее осадке не происходило бы изменения контактного давления.

Для того, чтобы провести теоретическое исследование характеристик тарельчатых пружин необходимо взять производную р по /уравнения 7 и приравнять ее к нулю. В результате этого получится уравнение 8. Из него получим

/=Л±ЛЛ-Щ. (9)

\3 3 А2

Отсюда видно, что изменяя отношение - можно влиять на форму

характеристики пружин и наити условия, при которых осадка пружин

V •

может увеличиваться без изменения нагрузки р. Когда %<о,7

характеристика прямолинейная, о - характеристика дигрессивная и при = ^2=1,414 - характеристика имеет наибольший горизонтальный участок. Если имеется два значения осевого перемещения

пружины, при которыхр принимает наибольшее и наименьшее значения,

характеристика между этими экстремальными значениями будет отрицательной.

Из уравнения 7 видно, что если выражение в квадратных скобках будет равно нулю, тогда и />=0, т.е. характеристика пружин должна проходить через ось нулевой нагрузки.

Тогда получим

Из проведенного анализа следует, что наилучшим образом предъявленным требованиям удовлетворяют пружины, имеющие частично горизонтальные участки. Это может быть достигнуто при % = ив этом случае теоретически длина участка может составлять

около 30%. Однако, выполнению этого отношения при изготовлении тарельчатых пружин препятствуют следующие факторы. Во-первых, нецелесообразно доводить отношение % = 1,414 из-за того, что эти

параметры пружины имеют допуски. Поэтому отношение % может стать

больше, чем 1,414 и тогда пружина «перекидывается». Это наступит уже при отношении, равном 1,5. С другой стороны, для получения отношения 1,414, первоначально оно должно быть несколько больше, т.к. после заневоливания размер к уменьшается. Как будет показано ниже выполнение отношения У8 = \,Ш нецелесообразно также и с

позиции габаритных размеров, как самой пружины, так и элементов тяговой передачи.

В связи с этим, представляет значительный практический интерес, при каких отношениях У5 характеристика пружины будет иметь

(10)

наибольшую горизонтальную площадку при требуемых величинах осевого напряжения болтов крепления кожуха тягового редуктора.

При уменьшении осадки пружины (сплющивании) в ее четырех кромках возникают напряжения, от правильного выбора которых зависит долговечность пружин. Эти напряжения определяются по следующим формулам:

I - верхняя кромка отверстия

4 Е

(1 )«■£>'

(11)

II - нижняя кромка отверстия

<у„ =-

4£

1)

-/

(12)

I - нижняя кромка наружного диаметра

4£

С (1 -м )а-Ог

(13)

IV- верхняя кромка наружного диаметра

4Е

г/

(14)

При сплющивании пружины растягивающие напряжения возникают на нижней стороне тарельчатой пружины в зависимости от отношения

У5 (сги и <тш), которые и являются лимитирующими с позиции

[олговечности. Для упрощения обозначим ,, , ,, лг = ~. В

/(1-м ) а-£> =к 5

ллющенном состоянии упругая деформация пружины равна высоте юнагруженной пружины Ь, т.е. примем /=й. Тогда уравнение 7 примет ¡ид

р = * . (15)

При этих условиях

<т„=52(;-АГ-|.ЛГ>}; (16)

^ = = 0 (17)

или

; (18) 0 \lfij р-к-Б* '

сг„ =5

У.-Л.^ ^/.у]. (19)

2

В зависимости от отношения наибольшее напряжение <г„ зозникает, начиная с отношения у, равного единице и с его ростом до значения 1,25, смещается вправо, затем спадает до нулевого значения. В связи с этим, можно принять, что до отношения -% = з нет опасности

возникновения напряжений <т„, превышающих допустимые значения. Напряжения <тш с увеличением отношения У5 только увеличиваются, поэтому с точки зрения <?,„ желательно брать 1.

Из-за специфики технологического процесса изготовления тарельчатых пружин в лимитирующих точках возникает поле остаточных напряжений, которые имеют направление противоположное напряжениям, возникающим при рабочей нагрузке. Анализ зарубежной и отечественной патентно-технической литературы, а также «Инструкции

по расчету и каталоги типоразмеров тарельчатых пружин», выпускаемых фирмой «Христиан Бауэр» (ФРГ), показал, что наибольшее допустимое напряжение растяжения может быть принято равным [<тр] = 2100 МПа (210 кг/мм2), а - сжатия [о-^] = 3800 МПа (380 кг/мм2).

Для достижения поставленной цели, т.е. выбора оптимальных типоразмеров тарельчатых пружин для крепления кожухов тяговой передачи электровозов ЧС-2, будем исходить из условия максимума удельной потенциальной энергией деформации.

Учитывая то, что в тарельчатой пружине ограничивающими являются растягивающие напряжения в нижних кромках внутреннего диаметра и наружного диаметра, максимум удельной потенциальной энергии можно получить при условии ст„ = о,„ =[ег]. Из этого получим

Из уравнений 20 и 21 получаются все необходимые выражения для определения размеров пружин и другие величины.

Важным показателем характеристики пружин является интеграл \p-dx, который выражает работу упругой деформации. После интегрирования выражения 7 получим

(20)

/

(21)

(22)

Объем металла тарельчатой пружины

Тогда удельная работа упругой деформации определится из сражения

з т-ф3(0+с1) . /2 ]

(Г>-¿У (£+</) Наибольшая допустимая осадка пружины

внутренняя высота пружины

(24)

(25)

(26)

где ¿ = %.

Рекомендуемое значение 8 находится в пределах 1,5+2,2. Большее начение приводит к увеличению напряжений сжатия более чем в 2 раза верх допустимых, что может привести к осадке пружины. При условии

„ =а„, ПОЛуЧИМ

_ 5 1 Т "V 1

(27)

—= 1 = 2 ' -1 = 2,04

1п<У

сг„ 1п 1,8

1п 2,2 -1-1,72

Остальные размеры пружины определяются следующим образом:

4Е . N

£ =

5 =

(1 -/¿г)-а'Ог'

2[(Ш<5)2+4] '

> (28)

4£

1(1-/и2)а-Л '

А затем по формулам (11 - 14), при необходимости, могут быть фоверены напряжения.

и

В пятой главе были рассмотрены полученные экспериментальные данные и была рассчитана технико-экономическая эффективность внедрения метода повышения надежности работы тяговой передачи..

Для проверки данного предложения по повышению надежности были выбраны две группы электровозов (по 10 в каждой), на одной группе были установлены тарельчатые пружины, на другой - нет. За данными группами велось наблюдение с 24.06.98 по 7.07.99 г.г., результаты наблюдений по группам приведены в таблице.

Группа электровомв без тарельчатых пружин Группа электровозов с тарельчатыми пружинами

Ко Кол-во заходов Пробег до непланового № Кол-во заходов Пробег до непланового

электрокаш на ремонт ремонта, тыс. км электровоза на ремонт ремонта, тыс км

348 1 193 333 1 200

503 2 160/180 478 1 280

516 1 234 526 0 —

545 0 — 527 1 200

598 2 160/200 600 0 —

605 1 180 620 0

717 1 200 715 1 270

714 2 230/220 719 1 300

720 0 — 802 0 —

790 1 180 886 1 230

Сумма 11 194,3 тыо.ш/1 эл-воз 6 246,7 тыс км/1 эл-воз

Как видно из наблюдений количество заходов контрольной группы с установленными тарельчатыми пружинами на кожухах тяговой передачи - 6, без тарельчатых пружин - 11 и средний пробег до непланового ремонта составил 246,7 ткм и 194,3 ткм соответственно. Увеличение среднего пробега между неплановыми ремонтами позволяет сделать вывод о снижении виброактивности воздействия «путь - тяговый редуктор» на 10-12%. В целом увеличение пробегов до непланового ремонта составляет 52,4 тыс. км, а количество ремонтов уменьшилось на 5.

В условиях железнодорожного транспорта к числу важнейших дач, успешное решение которых имеет существенное теоретическое и >актическое значение, относится разработка методики расчета !хнико-экономической эффективности создания и использования жомотивов и их основных узлов (тяговых двигателей, ¡помогательных машин, механической части и др.).

При наличии двух или более возможных вариантов решения, для денки их эффективности, наиболее часто в настоящее время пользуется метод минимума приведенных затрат, срока окупаемости зполнительных капитальных вложений с определенным нормативом юка окупаемости или коэффициента эффективности, а также 1ределение годового экономического эффекта.

Стоимость непланового ремонта равна 10% стоимости всех Пановых ремонтов. Расчеты выполнены в ценах 1999 года. Среднегодовые расходы на плановые ремонты: Эрем = ПТр) 'Цтр1 + ПтР2-ЦтР2 + ПТр3-ЦТрЗ + ПТоЗ'ЦтоЗ , (29)

где nTph пТр2, птрз, птоз, • число ремонтов в год с объемами оответственно ТР1, ТР2, ТРЗ, ТО-3;

ЦтР1, Цтр2, Цтрз, Цтоз, - стоимость ремонтов соответствующих бъемов.

Расходы на техническое обслуживание ТОЗ и Т02 и экипировку оставляют:

Эгэ = ПТоЗ ■ЦтоЗ + п То2 ■Цто2 + 'Ц, , (30)

где птоз, пТо2, щ - число ТОЗ, Т02 и экипировок в год;

Цтоз, Цтоз. Цу - стоимость ТОЗ и Т02 и экипировок. На основе формул приведенных выше был рассчитан годовой жономический эффект внедрения метода повышения надежности

работы тяговой передачи, который составил 1316 рублей в год на 1 электровоз серии ЧС-2.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

На основании проведенных в работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. Выполнен анализ существующих путей повышения надежности локомотивов, основное направление выполненных работ предлагает повысить надежность тягового подвижного состава за счет оптимизации межремонтных пробегов.

2. Выполнен анализ неплановых ремонтов и состояния локомотивного парка пассажирских электровозов, на основе которого можно сделать вывод о том, что необходима, в оптимальном варианте, замена локомотивного парка или разработка модернизаций различных видов оборудования и узлов.

3. Была оценена надежность тяговой передачи. Результаты

, показали, что вероятность безотказной работы уже при 70 тыс.

км пробега равна 0,80 и необходима либо замена узла, либо капитальный его ремонт.

4. Разработана математическая модель исследования системы «вал тягового двигателя - редуктор - колесная пара».

5. Разработан метод повышения надежности тягового привода, за счет внедрения в элементы крепления тарельчатых пружин, что позволило уменьшить последствия виброактивности воздействия «путь - тяговый редуктор», примерно на 10-12%.

6, Выполнена оценка технико-экономического эффекта внедрения тарельчатых пружин а элементы крепления тягового привода. При этом эффект составляет 1316 рублей на один электровоз в год, эта сумма получена за счет снижения неплановых ремонтов.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Иванов В.В., Корябкин А.И., Павлович Е.С., Просвиров Ю.Е. Возможности изменения конструкции тяговой передачи электровоза ЧС-2. - Материалы межвузовской НТК с международным участием «Взаимодействие института и предприятий транспорта в области подготовки специалистов и научных исследований». Самара: СамИИТ, 1996. - с. 102.

2. Иванов В.В., Павлович E.C., Плохов Е.М., Просвиров Ю.Е. Анализ неплановых ремонтов пассажирских электровозов ЧС-2 на основе данных локомотивного депо Самара. - Межвузовский сборник научных трудов: «Взаимодействие института и предприятий транспорта в области подготовки специалистов и научных исследований». Выпуск 12. Самара: СамИИТ, 1997. - с. 135-137.

3. Иванов В.В. О надежности узлов крепления тягового привода электровозов. - Материалы межвузовской НТК с международным участием «Вопросы повышения эффективности функционирования локомотивного хозяйства». Самара: СамИИТ, 1997. - с. 40-41.

4. Иванов В.В., Просвиров Ю.Е. Исследование системы совершенствования ремонта локомотивов. - Материалы отраслевой НТК «Актуальные проблемы развития

железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении». Ростов-на-Дону: РГУПС, 1998. - с. 52.

5. Иванов В.В. Об оптимизации системы технического обслуживания и ремонта локомотивов. - Сбор ник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых СамИИТа. Выпуск 2. Самара: СамИИТ, 1999. - с. 77-79.

#7 /

^^/ ИВАНОВ

Виталий Викторович

«ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ТЯГОВОГО ПРИВОДА ЭЛЕКТРОВОЗА ЧС-2» Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Подписано в печать 6.03.2000. Формат 60x84 1/16 Объем 1,0 уч. изд. л. Тираж 100 экз. Заказ № 2^73 Типография управления КБШ ж.д.

ВВЕДЕНИЕ

1. ПУТИ РАЗВИТИЯ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТА ЛОКОМОТИВОВ

1.1. Совершенствование системы ремонта локомотивов

1.2. Опыт применения системы ремонтов за рубежом

1.3. Теоретические предпосылки совершенствования системы ремонта

2. ВЫБОР ЛИМИТИРУЮЩЕГО УЗЛА И СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ О НАРАБОТКЕ НА ОТКАЗ ПО ТЯГОВОЙ ПЕРЕДАЧЕ ЭЛЕКТРОВОЗА ЧС

2.1. Выбор лимитирующего узла с помощью статистических данных о неплановых ремонтах

2.2. Оценка вероятности безотказной работы тягового привода электровоза ЧС

2.3. Определение закона распределения статистических данных и вывод о достоверности полученных результатов

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ СИСТЕМЫ «ВАЛ ДВИГАТЕЛЯ - РЕДУКТОР - КОЛЕСНАЯ ПАРА»

3.1. Постановка задачи

3.2. Движение колесной пары на криволинейном участке пути

3.3. Вертикальное движение колесной пары на рельсовых стыках

3.4. Вертикальное движение тележки электровоза

3.5. Определение реакций опор вала тягового двигателя

3.6. Движение системы «малая шестерня - шлицевое соединение» и определение осевой силы

3.7. Приближенное аналитическое решение задачи

4. РАЗРАБОТКА ТАРЕЛЬЧАТЫХ ПРУЖИН ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОЖУХА РЕДУКТОРА ТЯГОВОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОВОЗА ЧС

4.1. Теоретический анализ механических характеристик тарельчатых пружин и их расчет

4.2. Методика расчета тарельчатых пружин для крепления элементов кожуха тягового редуктора электровоза ЧС

5. ПРАКТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ И ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕТОДА ПО ПОЛУЧЕННЫМ ДАННЫМ

5.1. Результаты практических испытаний применения тарельчатых пружин

5.2. Теоретические предпосылки к определению технико-экономической эффективности локомотивов

5.3. Расчет технико-экономической эффективности метода повышения упругости крепления элементов тягового привода 116 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 121 ПРИЛОЖЕНИЕ

Актуальность проблемы. Россия, как известно, самая большая страна в мире. Существует пять основных видов транспортных систем: трубопроводная, водная, автомобильная, воздушная и железнодорожная транспортные системы. Множество природных ресурсов и предприятий по их переработке и выпуску готовой продукции расположены по всей стране. Для перевозки грузов (сырья, полуфабрикатов и готовой продукции) необходима такая транспортная система, которая отвечала бы требованиям: быстроты доставки, массовости доставляемых грузов и дешевизны. Наиболее полно и оптимально отвечающая этим требованиям является только железнодорожная транспортная система. Поэтому основным перевозочным транспортом в России является железнодорожный и от того, как будет функционировать данный вид транспорта, будет зависеть экономика страны. Следовательно, обеспечение эффективной и качественной работы всех звеньев железнодорожного транспорта - наиважнейшая задача, стоящая в настоящее время. В первую очередь, это касается локомотивного хозяйства, так как от него зависит соблюдение требований предъявляемых к основной транспортной системе страны. Поэтому поддержание и увеличение безотказности и надежности локомотивов является приоритетной задачей.

Важным направлением в повышении надежности локомотивов, наряду с оптимизацией межремонтных пробегов по лимитирующему узлу, является создание современных и совершенствование существующих конструкций подвижного состава железных дорог.

Основным видом локомотивов использующихся в пассажирском движении на Куйбышевской железной дороге является электровоз ЧС-2. Первые электровозы ЧС-2 появились на Куйбышевской железной дороге в 1964 году, последние - в 1972 г. Срок службы ■ данных электровозов составляет 28 лет. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о практически полной выработке ресурса эксплуатации данного типа пассажирских электровозов. Тяжелое финансовое положение, практическое отсутствие отечественных пассажирских электровозов постоянного тока, стабилизация объема перевозок и намечающийся их рост, ставят на первое место необходимость предпринять все возможные меры по поддержанию тягового подвижного состава в работоспособном состоянии, повысить надежность и безопасность эксплуатации.

Наиболее слабым узлом, в отношении надежности локомотива, является тяговая передача электровоза ЧС-2. В данном' типе электровоза используется опорно-рамная подвеска тягового электрического двигателя с применением карданной передачи. Передача вращающего момента с вала тягового электродвигателя на малую шестерню редуктора происходит с помощью торцевого шлицевого соединения. Выработка ресурса использования локомотивов наряду со стабилизацией и некоторым увеличением объема перевозок приводит к тому, что на локомотивы увеличивается нагрузка, соответственно увеличивается и нагрузка на тяговую передачу. Увеличение нагрузки и отклонения от конструкционных параметров приводят к выходу из строя тяговой передачи, как правило, среза шлицов на торцевом шлицевом соединении карданного вала с малой шестерней.

Поэтому разработка, на базе комплексных исследований, методов повышения надежности работы тягового привода электровоза ЧС-2, в частности уменьшения влияния различных нагрузок на шлицевое соединение, в области технологического аспекта проблемы, являются одним из главных направлений. Все это составляет актуальную научно-техническую и народнохозяйственную проблему совершенствования подвижного состава железных дорог.

Тема диссертационной работы соответствует «Основным направлениям развития железнодорожного транспорта и социально-экономической политики отрасли на период до 2005 года».

Целью диссертационной работы является повышение надежности, и соответственно безотказности, тягового привода электровоза ЧС-2 за счет уменьшения вибрационных нагрузок.

Для достижения указанной цели в диссертации поставлены следующие задачи:

1) провести анализ существующих путей повышения надежности электровоза ЧС-2;

2) проанализировать состояние локомотивного парка пассажирских электровозов ЧС-2;

3) оценить надежность тяговой передачи;

4) смоделировать и исследовать движение системы «вал двигателя - редуктор - колесная пара»;

5) разработать метод повышения надежности лимитирующего узла;

6) выполнить экспериментальные исследования в условиях эксплуатации и определить экономическую эффективность данной методики.

Методика исследования. Решение поставленных задач проводилось с использованием зависимости между нагрузкой и деформацией, выраженной уравнением Альмена-Лапласа и математической статистики при обработке данных. Результаты применения методики повышения надежности тягового привода проверялись экспериментально с помощью опытной и контрольной партий электровозов ЧС-2 на Куйбышевской железной дороге.

Научная новизна работы

- по фактическим данным рассчитана и исследована реальная надежность тяговой передачи (шлицевого соединения) электровоза ЧС-2;

- разработана математическая модель движения системы «вал тягового двигателя - редуктор - колесная пара»;

- математически обоснована периодическая составляющая осевой силы, действующей на узлы крепления «рубашки» подшипника вала малой шестерни;

- разработан метод повышения надежности тягового привода.

Практическая ценность

- с помощью предложенной методики была повышена надежность тягового привода;

- экспериментальные исследования подтвердили уменьшение количества неплановых ремонтов и как следствие финансовых затрат на ремонт.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на межвузовских научно-технических конференциях с международным участием (Самара, 1996, 1997 г.г.), на отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (Ростов-на-Дону, 1998 г.) и на семинарах электромеханического факультета СамИИТа (Самара 1996-1999 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять научных статей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных в работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. Выполнен анализ существующих путей повышения надежности локомотивов, основное направление выполненных работ предлагает повысить надежность тягового подвижного состава за счет оптимизации межремонтных пробегов.

2. Выполнен анализ неплановых ремонтов и состояния локомотивного парка пассажирских электровозов, на основе которого можно сделать вывод о том, что необходима, в оптимальном варианте, замена локомотивного парка или разработка модернизаций различных видов оборудования и узлов.

3. Была оценена надежность тяговой передачи. Результаты показали, что вероятность безотказной работы уже при 74 тыс. км пробега равна 0,80 и необходима либо замена узла, либо капитальный его ремонт.

4. Разработана математическая модель исследования системы «вал тягового двигателя - редуктор - колесная пара».

120

5. Разработан метод повышения надежности тягового привода, за счет внедрения в элементы крепления тарельчатых пружин, что позволило уменьшить последствия виброактивности воздействия «путь - тяговый редуктор», примерно на 10-12%.

6. Выполнена оценка технико-экономического эффекта внедрения тарельчатых пружин в элементы крепления тягового привода. При этом эффект составляет 1316 рублей на один электровоз в год, эта сумма получена за счет снижения неплановых ремонтов.

1. Айзинбуд С.Я., Кельперис П.И. Эксплуатация локомотивов. М.: Транспорт, 1980. - 248 с.

2. Артюхов В.Я. Оптимизация структуры ремонтного цикла тепловозов с применением ЭВМ: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук; Омск, 1985. 220 с.

3. Беленький А.Д., Белоглазов А.Д. Техническая диагностика -важное средство повышения надежности тепловозов / На средне-азиатской железной дороге/ // Железнодорожный транспорт, 1983, №9, с. 54-59.

4. Богуславский А.Б. и др. О показателях надежности тепловозов и их зависимости от интенсивности эксплуатации // Тр. ВНИТИ, 1986; Вып. 64. Повышение эксплуатационной надежности тепловозов и путевых машин, с. 41-46.

5. Босов A.A. Теоретические основы и методика расчета рациональных плановых восстановлений локомотивов и вагонов: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. 05.22.07; Утв. 20.01.89; 05870000959. -Днепропетровск, 1986. -271 с.

6. Виноградов Ю.Н. Выбор показателей использования электровозов для дифференцирования норм пробегов между их ремонтами. // Вестник ВНИИЖТ. 1975, №7, с. 6-9.

7. Виноградов Ю.Н., Левитский В.М. Совершенствование периодичности ремонтов грузовых электровозов. Сб. «Диагностирование и испытание электровозов». / Тр. ВНИИЖТ, вып. 671, М.: Транспорт, 1983.

8. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Финансы и статистика, 1981. - 263 с.

9. Вознюк В.Н. Исследование надежности экспортных тепловозов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Днепропетровск, ДИИТ, 1973. - 155 с.

10. Воробьев A.A. Выбор измерителя наработки и определения периодичности ремонтов электровозов: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. 05.22.07; Утв. 5.08.81; К267692. М.: 1981.-225 с.

11. Галкин В.Г., Парамзин В.П., Четвергов В.А. Надежность тягового подвижного состава. М.: Транспорт, 1981. - 184 с.

12. Гальперин Л.С., Шипков И.В. Прогнозирование числа ремонтов машин. М.: Машиностроение, 1973. - 111 с.

13. Головатый А.Т., Лебедев Ю.А. Техническое обслуживание и ремонт локомотивов за рубежом. М.: Транспорт, 1977. - 159 с.

14. Горский A.B. Воробьев A.A. Софьин H.A. Построение системы планово-предупредительных ремонтов электровозов ЧС-2 с учетом условий их эксплуатации. Сер. "Локомотивы илокомотивное хозяйство". Экспресс информация, 1984, вып. 5., с. 7-15.

15. Горский A.B. Методика расчета надежности электроподвижного состава как сложной системы: Диссертация на соискание уч. степени кандидата технических наук. М.: 1968.

16. Горский A.B. Методологические принципы определения оптимальной структуры ремонтного цикла ЭПС. Тр. МИИТ, 1977, вып. 571, с. 111-113.

17. Горский A.B. Методы оптимизации системы планово-предупредительных ремонтов электровозов: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук; Утв. 25.09.87; 05860001751. М.: 1985. - 526 с.

18. Горский A.B., Воробьев A.A. Оптимизация системы ремонта локомотивов. М.: Транспорт, 1994. - 208 с.

19. Горский A.B., Воробьев A.A., Козырев В.А., Куанышев В.М. Влияние системы ремонта локомотивов на обслуживание поездов. Железнодорожный транспорт, 1994, №11, с.51-53.

20. Горский A.B., Козырев В.А. Принципы построения оптимальной системы ремонта. В книге "Электроподвижной состав. Эксплуатация. Надежность. Ремонт". - М.: Транспорт, 1983. С. 239-252.

21. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. М.: Наука, 1967. - 368 с.

22. Деповской ремонт электровозов переменного тока / С. Г. Бутенко, А.Т. Головатый, Г.М. Коренко, A.C. Магда, К.А. Марютин, Ю.Г. Солопанов, Л.Я. Филькенштейн; Под. ред. А.Т. Головатого. М.: Транспорт, 1976. -440 с.

23. Дмитриев A.B. Моделирование процесса постановки локомотивов в плановые ремонты с учетом их технического состояния. Ростов-на-Дону, 1987 - 15 с. Деп. В ЦНИИ ТЭИ МПС 20.08.87, №4160, ж.-д. 87.

24. Ефименко В.И. и др. Методика корректировки объемов и технологии обслуживания тепловозов для повышения надежности // Тр. ВНИТИ, 1987, вып. 66: Повышение надежности тепловозов и диагностика, с. 19-27.

25. Иосилевич Г.В., Шарловский Ю.В. Затяжка и стопорение резьбовых соединений. М.: Машиностроение, 1971. -183 с.

26. Исаев И.П. и др. Методологические основы определения оптимальной периодичности и объемов планово-предупредительных ремонтов электроподвижного состава // Межвуз. сб. науч. тр. / МИИТ. 1980 - Вып. 678: Подвижной состав и его автоматизация. - с. 96-130.

27. Исаев И.П. Проблемы повышения надежности технических устройств железнодорожного транспорта. М.: Транспорт, 1968.

28. Исаев И.П., Горский A.B., Воробьев A.A. Выбор измерителя наработки электровозов для определения ресурсаизнашиваемых деталей // Вестник ВНИИЖТ. 1980, №2, с. 1922.

29. Исаев И.П., Горский A.B., Козырев В.А. Методика анализа процесса изнашивания деталей ЭПС для определения сроков их ремонта. Надежность и контроль качества. 1976, №11, с.3-10.

30. Исаев И.П., Горский A.B., Козырев В.А. Определение оптимальных параметров системы ремонта электроподвижного состава. //Надежность и контроль качества, 1977, №10, с. 31-38.

31. Исаев И.П., Горский A.B., Седов В.И. Разработка оптимальной системы ремонта. // Железнодорожный транспорт. 1970, №10, с. 40-44.

32. Исаев И.П., Горский A.B., Хлопков С.М. От чего зависит ресурс тяговых двигателей. Влияние заводских ремонтов. Система эксплуатации. // Электрическая и тепловозная тяга,1982, №6, с. 36-39.

33. Исаев И.П., Горский A.B., Хлопков С.М. От чего зависит ресурс тяговых двигателей. Влияние заводских ремонтов. Система эксплуатации. // Электрическая и тепловозная тяга,1983, №1, с. 32-33.

34. Кабенин Н.Г., Коновалов В.П., Озембловский В.И. Оптимальная периодичность технических осмотров тяговых двигателей НБ-412М // Вестник ВНИИЖТ. 1965, №5, с. 30-34.

35. Калько В. А., Тартаковский Э.Д. Техническое диагностирование тепловозов в депо // Железнодорожный транспорт, 1984, №1, с. 48-52.

36. Кельперис П.И. Высокими темпами к новым рубежам. //Электрическая и тепловозная тяга, 1986, №2, с. 8-12.

37. Коновалов И.Е. Об определении оптимальных пробегов тепловозов между ремонтами. / Тр. ОмИИТа, вып. 132, 1973.

38. Красковская С.Н., Ридель Э.Э. Техническое обслуживание и ремонт электровозов постоянного тока в депо. М.: Транспорт, -1980.429 с.

39. Ларина М.Н. О прогнозировании уровня надежности локомотивов в эксплуатации. / Тр. ОмИИТа, вып. 88, 1970.

40. Лугинин Н.Г., Домбровский K.H., Подшивалов А.Б. и др. Система ремонта тепловозов и надежность работы их агрегатов // Сб. научн. тр. / ВНИИЖТ, 1971, вып. 427: Исследование системы ремонта и надежности узлов тепловозов, с. 38-78.

41. Математическая статистика. Учебник для техникумов./Под ред. А.М. Длина. М.: Высшая школа, 1975. - 398 с.

42. Надежность в технике. Термины и определения. ГОСТ 17.002-83. М.: Изд-во стандартов, 1984. - 30 с.

43. Налимов В.В. Теория эксперимента. -М.: Наука, 1971. 207 с.

44. Никитенко А.Г., Плохов Е.М., Зарифьян A.A., Хоменко Б.И. Математическое моделирование динамики электровозов. М.: Высшая школа, 1998. - 274 с.

45. Организация ремонта тепловозов на Британских железных дорогах // Железнодорожный транспорт за рубежом. Сер.2: ЭИ/ЦНИИ ТЭИ МПС, 1985. Вып. 1, с. 16-18.

46. Павлович Е.С., Серегин A.A., Четвергов В.А. Определение оптимальных пробегов тепловозов между ремонтами. /Тр. ОмИИТа, вып.87, 1968.

47. Павлович Е.С., Четвергов В.А. и др. К оптимизации межремонтных сроков деталей и узлов тепловозов // Сб. научн. тр. / ОмИИТ 1970 - т. Ill: Исследование надежности деталей и узлов тепловозов, с. 9-17.

48. Палей Д.А., Озембловский В.И., Факторович М.А.Выбор уровня эксплуатационной надежности электровозов, Вестник ВНИИЖТ, 1981, №4, с.22-26.

49. Повышение надежности узлов и агрегатов тепловозов. /Тр. МИИТа, вып. 282, 1972. 144 с.

50. Повышение надежности, совершенствование обслуживания и ремонта ЭПС // Тр. ВНИИЖТ, Под ред. Соболева В.М. М.: Транспорт, 1986. - 70 с.

51. Подшивалов А.Б., Шанченко П.А. О корректировке межремонтных пробегов тепловозов. // Вестник ВНИИЖТ, 1985, №5, с. 30-33.

52. Проников A.C. Основы надежности и долговечности машин. -М.: Издательство стандартов, 1969. 160 с.

53. Рамлов В. А., Привалов В. В. Прочность конструкций электроподвижного состава. М.: ВЗИИТ, 1981. - 18 с.

54. Ридель Э.Э. Система планово-предупредительного ремонта электровозов и электропоездов: Учеб. пособие. М.: ВЗИИТ, 1983.-62 с.

55. Руководство по определению показателей надежности локомотивов. М.: МПС, 1976.

56. Стрельников В.Т., Исаев И.П. Комплексное управление качеством технического обслуживания и ремонта электровозов. М.: Транспорт, 1980. - 206 с.

57. Хастингс Н., Пикок Дж. Справочник по статистическим распределениям. М.: Статистика, 1980. - 94 с.

58. Четвергов В.А. и др. Модели оптимизации параметров системы ремонтного обслуживания тепловозов // Сб. науч. тр. / ОмИИТ 1976. - том 175: Исследование надежности и экономичности дизельного подвижного состава, с. 27-43.

59. Четвергов В.А. О принципах оптимизации системы ремонтного обслуживания тепловозов // Повышениеэксплуатационной надежности локомотивов в условиях Урала и Сибири. Омск, 1973. с. 287-299.

60. Четвергов В.А., Шиян А.С. Анализ технико-экономической эффективности увеличенных межремонтных пробегов. /Сб. «Исследование надежности и экономичности дизельного подвижного состава», Омск, 1978, с.30-36.

61. Шанченко П.А. Техническое обслуживание и ремонт тягового подвижного состава на зарубежных железных дорогах ЦНИИ ТЭИ МПС. Сер. Локомотивы и локомотивное хозяйство. - вып. 2. -М.: 1988.-24 с.

62. Просвиров Ю.Е. Проблемы совершенствования систем диагностирования тепловозных дизелей. // Самара: СамИИТ, 1999.-218 с.

63. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Госиздат Физико-математической литературы, 1959. - 439 с.

64. ООО -123 293 15201063388 |д(М) 2,130334

65. ООО -120 293 14470307833 я 352500

66. Ю 200 ООО 24 707 610455980,8