автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Прогнозирование технического состояния бандажей колесных пар маневровых тепловозов

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО

ПРОБЛЕМЕ НАДЕЖНОСТИ ТЕПЛОВОЗОВ

1.1. Анализ методов прогнозирования технического состояния

1.2. Выбор математической модели износа на основании существующих методов

2. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР

2.1. Исследование надежности экипажной части маневровых тепловозов. Выбор лимитирующего узла

2.2. Причины возникновения износа бандажей колесных пар тепловозов.

2.3. Выбор математической модели износа для прогнозирования технического состояния бандажей колесных пар

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ

НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ИЗНОСА В КОНТАКТЕ.

3.1. Определение положения площади контакта и ее величины

3.2. Определение напряженного состояния на площади контакта

3.3. Определение усилий действующих на площади контакта на прямых участках пути

3.4. Определение статических и динамических реакций возникающих в зоне контакта при движении в кривых

3.5. Экспериментальная проверка математических моделей износа

3.5.1. Проверка вероятностной математической модели износа

3.5.2. Проверка детерминированной модели

4. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

БАНДАЖЕЙ С ПОСЛЕДУЮЩИМ УТОЧНЕНИЕМ РЕСУРСА

4.1. Создание баз данных по износам колесных пар

4.2. Прогнозирование ресурса бандажей с использованием вероятностной и детерминированной моделей и уточнение ресурса

5. РАСЧЕТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗНОСА БАНДАЖЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР

5.1. Прогнозирование и технико-экономический аспект надежности

5.2. Определение технико-экономической эффективности от внедрения результатов исследования

Актуальность проблемы. Сложившаяся экономическая ситуация в стране выдвигает на первый план вопросы более полного использования всех видов ресурсов: материальных, денежных, трудовых и т.д. Она заставляет разрабатывать меры по повышению эффективности эксплуатации подвижного состава железных дорог. Известно, что одним из основных факторов, определяющих эффективную работу тягового подвижного состава, является его надежность.

Существующие методы и способы организации эксплуатации и ремонта локомотивного парка железных дорог нашей страны ориентированы на усредненные показатели использования локомотивов. Действующая в настоящее время система технического обслуживания и ремонта, практически одинакова для всех локомотивов. Но условия эксплуатации настолько отличаются, что ресурсы одноименных узлов и агрегатов локомотивов одной серии могут отличаться и в отдельных случаях, достаточно существенно. Это подтверждается исследованиями по износу бандажей колесных пар тепловозов.

Высокая интенсивность работы железнодорожного транспорта ведет к повышенному износу тягового подвижного состава, в том числе колесных пар. Обновление, модернизация и ремонт локомотивов требует больших финансовых и материальных ресурсов.

Наиболее слабым узлов, в отношении надежности экипажной части локомотивов, являются бандажи колесных пар. Их параметры влияют не только 5 на состояние пути, динамику локомотива, но и непосредственно на безопасность движения.

Прогнозирование износа бандажей колесных пар путем определения их фактического состояния повышает эффективность использования за счет увеличения сроков эксплуатации с учетом необходимых требований безопасности движения и уменьшает затраты на ремонт и техническое обслуживание.

Таким образом, разработка методов прогнозирования фактического технического состояния бандажей колесных пар маневровых тепловозов является актуальной научно-технической проблемой повышения надежности ходовых частей подвижного состава.

Диссертационная работа подготовлена на основании исследований, проведенных автором в рамках программы утвержденной указанием МПС № 2467 от 11.10.99 г./1/

Тема диссертационной работы соответствует основным направлениям "Концепции системы технического обслуживания и ремонта тягового подвижного состава по техническому состоянию".

Цель работы - исследование износа колесных пар маневровых тепловозов и выбор методов для прогнозирования технического состояния бандажей в конкретных условиях их эксплуатации.

Для достижения указанной цели, в диссертации поставлены следующие задачи: 6

- провести анализ методов прогнозирования, применяемых для оценки состояния машин и механизмов и на его основе выбрать математические модели износа;

- проанализировать техническое состояние экипажной части маневровых тепловозов и определить лимитирующие узлы;

- исследовать возможность применения выбранных моделей для прогнозирования технического состояния лимитирующих узлов в различных условиях эксплуатации;

- разработать математическую модель прогнозирования износа гребней бандажей с учетом динамических составляющих нагрузок на площадках контакта;

- провести экспериментальную проверку результатов полученных при исследовании математических моделей;

- разработать методику прогнозирования технического состояния бандажей колесных пар маневровых тепловозов с последующим уточнением остаточного ресурса, учитывающую толщину гребня бандажа;

- выполнить технико-экономическую оценку результатов исследования износа и остаточного ресурса бандажей, которые были получены при внедрении разработок, представленных в диссертации.

Методика исследования. Для оценки технического состояния использованы: анализ и обобщенные данные научно-технической литературы по прогнозированию технического состояния машин и механизмов; методы теории вероятностей и математической статистики; экспериментальные исследования 7 неисправностей колесных пар, проведенные на тепловозах ТЭМ-2, работающих в условиях Самарского отделения Куйбышевской железной дороги.

Научная новизна. Разработана математическая модель прогнозирования износа гребней бандажей с учетом динамических составляющих нагрузок на площадках контакта и на ее основе предложена методика прогнозирования фактического технического состояния бандажей, с последующим уточнением ресурса. Разработаны алгоритм и программа расчета.

Практическая ценность работы. Практическая реализация разработанной методики позволяет прогнозировать износ гребней бандажей и на его основе определять остаточный ресурс с использованием вероятностной модели и при помощи разработанной детерминированной модели.

Проведены сравнительные исследования и даны рекомендации о своевременности постановки тепловозов на ремонт, учитывая состояние гребней бандажей колесных пар. Основные результаты исследований внедрены на Куйбышевской железной дороге.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции (Самара, 1999г.); на второй международной отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (Ростов-на-Дону, 2000 г.); научно-технической конференции «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири» (Иркутск, 2000); научно-технической конференции «Новые технологии - железнодорожному транспорту: подготовка 9

результатов исследования

Технико-экономическая эффективность рассчитана по экономии текущих затрат от увеличения срока службы бандажей.

Экономия от увеличения срока службы бандажей /87/ складывается из экономии от:

- увеличения срока службы бандажей за счет количества и числа их смен;

- уменьшения количества обточек.

Экономия от увеличения срока службы бандажей обеспечивается за счет снижения потребного количества бандажей и затрат по их смене, а также уменьшения затрат на обточки бандажей за срок их службы:

АИб, =Ибп +Иб12 (5.5) где: Иб„ - экономия от снижения расхода бандажей;

Ибп=СбПб(-^-—), (5.6)

117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных в работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. Выполнен анализ методов прогнозирования, применяемых для оценки состояния машин и механизмов, и на основе анализа выбраны математические модели износа.

2. Проанализировано техническое состояние экипажной части маневровых тепловозов и на основе анализа было сделано заключение о том, что наиболее интенсивному износу подвергается рабочая поверхность гребня бандажа колесных пар; соответственно, именно бандаж является лимитирующим узлом.

3. Обоснована возможность совместного применения аналитической и вероятностной моделей для прогнозирования технического состояния бандажей колесных пар маневровых тепловозов.

4. Разработана аналитическая модель расчета нагрузки на площадке контакта с учетом динамических составляющих реакций, обусловленных переносным вращением колесной пары (вилянием), сил упругости на смятие соприкасающихся тел и кориолисовых сил инерции действующих на рельс со стороны колес. Разработан алгоритм и программа расчета износа гребней бандажей с применением математической модели износа, учитывающей физико-химические свойства контактирующих тел.

5. Проведена экспериментальная проверка вероятностной модели. Она показала удовлетворительную сходимость теоретических и экспериментальных данных по износам при доверительной вероятности 0,95. При проверке детерминированной модели износа сравнение полученных результатов с экспериментальными данными показало, что экспериментальные кривые износа укладываются в диапазон кривых, полученных теоретически. Анализ проведенных численных расчетов свидетельствует, что вклад кориолисовых сил инерции составляет 1-3% от полного износа.

6. Разработана методика прогнозирования технического состояния бандажей колесных пар маневровых тепловозов с последующим уточнением остаточного ресурса по величине износа гребня.

7. Выполнена оценка технико-экономического эффекта от внедрения разработанной методики. При этом эффект от результатов внедрения разработанных моделей прогнозирования для оценки состояния бандажей колесных пар составляет 4548 рублей на один тепловоз в год.

119

1. Указание МПС № 2467 "Об организации работ по переходу на ремонт по техническому состоянию локомотивов и моторвагонного подвижного состава".- М.: Транспорт, 1999.

2. Валиуллин Р.Г. Прогнозирование остаточного ресурса деталей тепловозного дизеля. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Самара, 1993.- 165 с.

3. Калявин В.П., Костенко Ю.Н. и др. Прогнозирование технического состояния изделий электронной техники в процессе производства. -Обзор.Вып. 1 (722), М.: ЦНИИ "Электроника", 1980.-68 с.

4. Гаскаров Д.В., Мозголевский A.B. Техническая диагностика "непрерывные объекты". -М.: Высшая школа, 1975.- 207 с.

5. Гаскаров Д.В., Мозголевский A.B., Голинкевич Т.А. Прогнозирование технического состояния и надежности радиоэлектронной аппаратуры. —М.: Сов. Радио,-1974.-224с.

6. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. -М.: Наука, 1982 -576 с.

7. Севастьянов Б.А. Курс теории вероятностей и математической статистики. -М.: Наука, 1982.-155 с.

8. Гнеденко Б.В. и др. Математические методы в теории надежности. -М.: Наука, 1965. -524 с.

9. Булкин М.А. Применение методов распознавания образов в системах120управления качеством изделий электронной техники. -М.: ЦНИИ "Электроника", 1976. -76 с.

10. Дюран Б., Оделл П. Кластерный анализ. -М.: Статистика, 1977. -128 с.

11. Исследование сложных систем / АН СССР, Отделение информатики, вычислительной техники и автоматизации, ВЦ; Под ред. А. А. Самарского. -М: Наука, 1989. -265 с.

12. Проников A.C. Надежность машин. -М.: Машиностроение, 1978. 592 с.

13. Крагельский И.В. Трение и износ. -М.: Машиностроение, 1968. 480 с.

14. Крагельский И.В. Основы расчетов на трение и износ. -М.: Машиностроение, 1977. -526 с.

15. Четвергов В.А Теоретические вопросы анализа и оптимизации надежности и системы ремонта тепловозов. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Омск, 1975.- 379 с.

16. Сирина Н.Ф., Сирин A.B. Методика теоретической оценки величины износа в паре трения «колесо-рельс» / Фундаментальные и прикладные исследования транспорту 2000:труды всероссийской научно-технической конференции.-Екатеринбург: УрГУПС, 2000.- с. 126 - 135

17. Журков С.Н. К вопросу о физической основе прочности // Физика твердого тела. Т. 22. Вып. 2. 1980- с. 3344 3349.

18. Громаковский Д.Г. Разрушение поверхностей при трении и разработка кинетической модели изнашивания. М.: Вестник машиностроения, 2000. -№1. с. 3-18.121

19. Рубан В.М. Оценка факторов влияющих на триботехническую систему «колесо рельс». Фундаментальные и прикладные исследования -транспорту 2000:труды всероссийской научно-технической конференции.-Екатеринбург: УрГУПС, 2000.- с. 69.

20. Кашников В.Н., Рубан В.М. Оценка снижения износа бандажей колесных пар локомотивов. Тезисы доклада 7-й Всесоюзной научной конференции «Состояние и перспективы развития электровозостроения в стране». Новочеркасск, 1991.- с. 77.

21. Рубан В.М. Синтез систем снижения подреза гребня бандажей колесных пар железнодорожных экипажей в кривых. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ростов-на-Дону, 1994.

22. Просвиров Ю.Е. Исследование износа и надежности узлов электрических машин тепловозов и установление рациональных допусков износа. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ростов-на-Дону, 1971

23. Полонский Ю.З. Повышение долговечности тяжелонагруженных подшипников скольжения методом пористого силицирования сталей. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 1990.

24. Михлин В.М. Управление надежностью сельскохозяйственной техники. -М.: Колос, 1984. -335 с.

25. Яковенко Ю.Ф., Кузнецов Ю.С. Техническая диагностика пожарных122автомобилей. . -М.: Сторйиздат, 1989. -288 с.

26. Шафраиский А.К. Измерение и непрерывная регистрация сил взаимодействия колесных пар локомотивов срельсами. М.: Транспорт, 1969.-118 с.

27. Смирнов H.H., Ицкович A.A. Методы обслуживания и ремонта машин по техническому состоянию. -М.: Знание, 1973. -56 с.

28. Указание МПС России № М 401 У.- М.: МПС, 2000. -55 с.

29. Омарбеков А.К. Управление техническим состоянием колесных пар тягового подвижного состава в эксплуатации. -М: ЦНИИТЭИ МПС, 2001. -193 с.

30. Лукашин Ю.П. Адаптивные методы краткосрочного прогнозирования. -М.: Статистика, 1979. -256 с.

31. Френкель A.A. Прогнозирование производительности труда. Методы и модели. -М.: Экономика, 1989. -216с.

32. Тихомиров В.П. Прогнозирование эксплуатационных показателей неподвижных и подвижных сопряжений на основе имитационного моделирования процессов контактного взаимодействия твердых тел. на123соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 1994.

33. Коссов B.C. Снижение нагруженности ходовых частей локомотивов в пути. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 2001.

34. Горский A.B. Методы оптимизации системы планово предупредительных ремонтов электровозов. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. -М., 1985-526 с.

35. Горский A.B., Воробьев A.A. Оптимизация системы ремонтов локомотивов. -М.: Транспорт, 1994 -209 с.

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

37. Павлович Е.С., Серегин A.A., Четвергов В.А. Определение оптимальных пробегов между ремонтами. -Тр. ОмИИТ, 1968, вып. 87, ч. 1.-102 с.

38. Четвергов В.А. и др. Модели оптимизации параметров системы ремонтного обслуживания тепловозов. -Тр. ОмИИТ, 1976, т. 175, с. 27-43

39. Четвергов В.А. Математическая модель оптимизации межремонтных сроков при их постепенном износе. -Тр. ОмИИТ, 1973, т. 145, с. 10-18.

40. Икраимов У.А. Расчетные методы оценок абразивного износа. -М.: Машиностроение, 1987. -288 с.

41. Гриценко В.Е. Прогнозирование надежности бандажей колесных пар маневровых тепловозов. Диссертация на соискание ученой степени124кандидата технических наук. Ворошиловград, 1975.

42. Машнев М.М., Хрусталев P.C. О классификации дефектов колесных пар. // "Железнодорожный транспорт", 1968, №2

43. Балакин А.Ю. Износ бандажей и мероприятия по повышению долговечности колесных пар локомотивов // Сборник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых СамИИТа. Вып. 2 Самара.: СамИИТ, 1999.-е. 75-76.

44. Андреев А.И., Комаров К.Л., Карпущенко Н.И. Износ поверхностей трения. // "Железнодорожный транспорт", 1997, №7. с. 31

45. Крагельский И.В., Непомнящий Е.Ф., Харач Г.М. Усталостный механизм и краткая методика аналитической оценки величины износа поверхностей125трения при скольжении исходя из свойств материалов и условий их работы. //ГосНИИ машиноведения -М.: АН СССР, 1967.

46. Беляев И.А. Как устранить преждевременный износ бандажей. // "Железнодорожный транспорт", 1997, №1. с. 38

47. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь: Учебник для вузов ж-д. Транспорта 3 изд. перераб. и доп. -М.: Транспорт, 1987 -497 с.

48. Медель В.Б. Исследование движения железнодорожных экипажей в кривых. -М.: Трансжелдориздат, 1955. 92 с.

49. Гуськова М.В. Комплексная оценка параметров, характеризующих износ гребней бандажей колесных пар локомотивов в кривых: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.22.07. -Ростов н/Д, 1997.-18 с

50. Богданов В.М., Евдокимов Ю.А., Кашников В.Н., Майба И.А. Проблемы износа колес и рельсов. Возможные способы борьбы. // "Железнодорожный транспорт", 1995, №12. с. 23-26

51. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. Справочник. -М.: Машиностроение, 1984. -280 с.126

52. Коган А.Я. Оценка износа рельсов и бандажей колесных пар при движении подвижного состава в кривых участках пути. // "Вестник ВНИИЖТ", 1990, №2. -с. 36-40

53. Фришман М.А., Липовский P.C., Шульман З.А. Исследование взаимодействия пути и подвижного состава. // Труды ДИИТ. Вып. 148. — М.: Трансжелдориздат. -1974

54. Буйносов А.П. Износ бандажей и рельсов: причины и возможности сокращения. // "Железнодорожный транспорт", 1994, №10. с. 39-41.

55. Минин С.И. Причины интенсивного износа колесных пар и рельсов. // Вестник ВНИИЖТ. -1980. №8. -с. 27-29

56. Нефигер А. Взаимодействие колеса с рельсом. // Железные дороги мира. 1986. С. 10-19

57. Хабаровский институт инженеров транспорта. Тезисы докладов XXXVI научно-технической конференции: В 2 т / Под ред. Подобы В.А. -Хабаровск: ХабИИЖТ, 1989

58. Богданов В.М. Снижение интенсивности износа гребней колес и бокового износа рельсов. // "Железнодорожный транспорт", 1992, №8. с. 27-28

59. Широглазов В.В. Влияние режимов эксплуатации локомотивов на износ гребней. // "Железнодорожный транспорт", 1992, №9. с. 67

60. Ведякин Ф.Ф. Обеспечение устойчивого движения экипажей в поездах Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Омск, 1990127

61. Авдонькин Ф.Н. Теоретические основы технической эксплуатации автомобилей. -М.: Транспорт, 1985. -251 с.

62. Галкин В.Г. и др. Надежность тягового подвижного состава. -М.: Транспорт, 1982. -182 с.

63. Кордонский Х.Б. и др. Вероятностный анализ процессов изнашивания. -М.: Наука, 1968. -56 с.

64. Математическое моделирование технических систем / Под ред. B.C. Зарубина. -М.: МВТУ, 1988. -119 с.

65. Справочник по типовым программам моделирования. / А.Г. Ивахненко, Ю.В. Копна, B.C. Степашко и др. Под ред. А.Г. Ивахненко. -Киев: Техника, 1980.-183 с.

66. Тартаковский И.Б. Опыт статистического исследования процессов изнашивания машин. -М.: Вестник машиностроения, 1964. -№6. С. 13-18.

67. Валиуллин Р.Г., Добровольский П.Н., Ермаков Ю.Д., Павлович B.C. Планирование текущих ремонтов. // Тезисы докладов на IV международной научно-технической конференции "Проблемы развития локомотивостроения". -Крым.: ЛМСИ, 1993. С.-72

68. Балакин А.Ю. Исследование неисправностей, систематический учет и контроль состояния колесных пар маневровых тепловозов с применением ЭВМ // Сборник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых СамИИТа. Вып. 2. Самара: СамИИТ, 1999.-е. 76-77.

69. Свидетельство об официальной регистрации интеллектуального продукта в ВНТИЦ № 73200100205. Моделированная методика определения состояния гребней бандажей колесных пар /Балакин А.Ю. Зарегистрировано 15.10.2001 г.//М.: ВНТИЦ, 2001

70. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. -М.: Машиностроение, 1984 312 с.

71. Ивахненко А.Г. Метод группового учета аргументов в задачах прогнозирования. Киев: Институт кибернетики, 1977. -24 с.

72. Математическое обеспечение научно-технического прогнозирования. / Под ред. Л.П. Смирнова. -Киев: Институт кибернетики, 1974. -102 с.

73. Вопросы надежности и повышение эффективности эксплуатации и ремонта подвижного состава. Сборник статей./ Под. Ред. H.A. Малоземова. -Ростов н/Д.: РИИЖТ, 1974 -155 с.

74. Повышение эксплуатационной надежности автомобилей. Сборник статей вып. 1 / Под редакцией Кузнецова. -М.: Транспорт, 1973

75. Сашко A.A. Исследование и выбор рациональных методов снижения износа бандажей колесных пар. -М.: Трансинфо ЛТД, 1988. 23 с.129

76. Захаров Б.В., Сашко A.A., Рогова E.H., Гашин В.А. Снова об износе бандажей и рельсов. // "Локомотив", 1997, № 5.

77. Надежность тепловозов и путевых машин. Труды ВНИТИ.- Коломна, 1989

78. Оценка эффективности новой техники. -М.: Ж.д. транспорт, 1997. №12. С. 38-39.

79. Каретников А.Д. Эффективность научных исследований. -М.: Ж.д. транспорт, 1972. №8.

80. Горонович П.И., Гриценко В.Е. и др. Технико-экономическое исследование надежности колесно-моторных блоков различных серий тепловозов. Отчет по теме КЛТ 86-72 -Ворошиловград, 1973.

81. Павлович Е.С., Просвиров Ю.Е. Основы надежности локомотивов: Учебное пособие для студентов специальностей 150700 "Локомотивы" 180700 "Электрический транспорт (железных дорог)". -Самара: СамИИТ, 1997. -99 с.

82. Методические рекомендации по обоснованию Эффективности инноваций на железнодорожном транспорте. -М.: ВНИТИ, 1999. -230 с.