автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Условия целесообразного применения алюминиевых сплавов в вагоностроении

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

На правах рукописи

ИВАНОВ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

УСЛОВИЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОГО ПРИМЕНЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ В ВАГОНОСТРОЕНИИ (НА ПРИМЕРЕ ПОЛУВАГОНОВ)

Специальность:05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор ШАДУР Л.А.

Москва 1999 г.

Содержание

Принятые сокращения 5

Ведение 6

1. Состояние вопроса. Задачи и цель диссертации. 9

1.1. Опыт эксплуатации и проектирования полувагонов. 9

1.2. Применение алюминиевых сплавов в конструкции вагонов. 14

1.3. Проблема обоснования срока службы и системы текущего обслуживания и ремонта вагонов из алюминиевых сплавов и постановка задачи исследования. 27

2. Методологическая основа проектирования системы вагон-среда. 38

2.1. Выбор и обоснование целевой функции оптимизации системы 38 вагон-среда.

2.1.1. Влияние возраста вагона на его выработку. 3 9

2.1.2. Составляющие целевой функции. 40

2.1.3. Техническая реализация необходимых условий экстремума целевой функции. 43

2.2. Параметры безопасности системы вагон-среда. 46

2.2.1. Параметры безопасности системы вагон-среда. 46

2.2.2. Способ оптимизации параметров безопасности системы вагон- 52 среда.

2.3. Формулировка оптимизационной задачи. 57

2.4. Выводы по главе. 57

3. Формирование базы исходных данных для решения оптимизационной задачи. 59

3.1. Зависимость эксплуатационных расходов от срока службы 59 вагона.

3.1.1. Цена и ликвидная стоимость вагона. 60

3.1.2. Затраты на капитальные ремонты. 60

3.1.3. Затраты на деповские ремонты. 61

3.1.4. Затраты на текущие ремонты и техническое обслуживание. 63

3.2. Определение критерия ограничения межремонтного пробега по безопасности движения (1бд)- Расчет 1щ. 72

3.2.1. Выбор логико-математического обоснования функции распределения случайных величин с,,С и ц. 72

3.2.1.1. Вид функций распределения наработок до обнаружения и наработок между появлением и обнаружением опасного отказа. 72

3.2.1.2. Вид функции распределения наработок до появления опасного 73 отказа.

3.2.2. Оценка параметров закона распределения наработок вагонов до опасного отказа. 76

3.2.3. Расчет 1БД, анализ результатов. 95

4. Определение целесообразной периодичности глубоких диагностик полувагонов с кузовом из алюминиевых сплавов и их 102 срока службы.

4.1. Решение оптимизационной задачи. 102

4.2. Определение оптимальной системы постгарантийного обслуживания для полувагонов с кузовом из алюминиевых 105 сплавов.

4.3. Определение (оценка) уровня удельных расходов на текущее обслуживание и ремонты для стальных конструкций

полувагонов по действующей системе ТОР. 106

4.4. Оценка уровня удельных расходов алюминиевых конструкций

по действующей системе ТОР. 107

4.5. Определение рациональной (экономически выгодной) системы ТОР для полувагона с кузовом из алюминиевых сплавов. 108

4.6. Оптимизация системы ТОР для полувагона с кузовом из алюминиевых сплавов при изменении экономических условий. 117

Заключение. 119

Список литературы. 125

Приложение. 130

Принятые сокращения

LCC - (Live Cycle Cost) затраты на жизненный цикл;

АРМ - автоматизированное рабочее место;

ВБР - вероятность безотказной работы;

ВНИИЖТ - Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта

ВРЗ - вагоноремонтный завод;

вез - вагоностроительный завод;

ВУ - вагонная учетная форма

вчд - вагонное депо;

ГВЦ МПС - Главный вычислительный центр Министерства путей сообщения

др - деповской ремонт;

жтсв - Журнал технического состояния вагонов;

КР - капитальный ремонт;

МПС - Министерство путей сообщения

нее - нормативный срок службы;

ПР - плановый ремонт;

пто - пункт технического обслуживания;

то - техническое обслуживание

ТОР - техническое обслуживание и ремонт;

TP - текущий ремонт

ТР-1 - текущий ремонт без отцепки от состава;

ТР-2 - текущий ремонт с отцепкой вагона от состава;

УВЗ - Уральский вагоностроительный завод;

Введение

В условиях резкого спада объема грузоперевозок железные дороги России оказались в сложном экономическом положении. Для повышения рентабельности отрасли МПС проводит новую экономическую политику.

Сегодня железные дороги стоят с одной стороны в условиях свободных рыночных цен на потребляемую ими продукцию других производств, а с другой - в условиях государственного регулирования тарифов на свою продукцию.

В настоящее время основой политики МПС становится сокращение эксплуатационных расходов. Снижение расходов на перевозки при одновременном повышении их безопасности, поиск путей привлечения новых клиентов - эти направления одобрены на Всероссийском съезде железнодорожников, состоявшемся в 1995 г. Ряд научных трудов посвящены поиску резервов снижения этих расходов.

Проблема повышения конкурентоспособности железнодорожного транспорта стоит перед железными дорогами во всем мире. В условиях жесткой конкуренции зарубежные железнодорожные компании также особое внимание уделяют разработке способов снижения расходов на эксплуатацию.

В настоящее время на железных дорогах мира в грузовых перевозках эксплуатируется большой спектр вагонов. Одним из самых массовых типов вагонов являются полувагоны, на долю которых в России приходится свыше 45% общего грузооборота. Снижение эксплуатационных затрат при использовании этого типа вагона позволит значительно снизить эксплуатационные расходы железных дорог в целом. Поэтому в качестве объекта исследований в данной работе выбран четырехосный универсальный полувагон.

Полувагоны работают в сложных условиях: загрузка экскаваторами с ковшом большой емкости, разгрузка с помощью грейферных кранов, вагоноопрокидывателий или открытием люков, размораживание грузов в тепляках и разрыхление грузов вибраторами, бурорыхлительными установками. Кроме того, кузов вагона подвергается сильному рас-

пору при перевозке труб большого диаметра и леса. Для них характерны большой абразивный и коррозионный износы. В сочетании с малоэффективной, с точки зрения ремонта, обезличенной системой технического обслуживания и ремонта эти вагоны являются наиболее повреждаемым и часто списываются досрочно.

В структуре эксплуатационных расходов большую долю занимают энергорасходы на тягу поездов (железнодорожный транспорт является одним из основных массовых потребителей электроэнергии). Экономии электроэнергии можно достичь облегчением вагонных конструкций за счет применения новых высокопрочных материалов. Такими перспективными материалами являются алюминиевые сплавы.

Затраты на текущее содержание подвижного состава также составляют значительную часть эксплуатационных расходов. На сегодняшний день самым повреждаемым видом является полувагон. В среднем каждый полувагон попадает в ремонт до 17 раз ежегодно, а затраты на техническое обслуживание и ремонт в течение срока службы превышают стоимость самого вагона в несколько раз. Причем, чем старее вагон, тем дороже обходится его обслуживание и ремонт. На состояние вагонного парка, а, следовательно, и на безопасность перевозок, существенное влияние оказывает как организация и периодичность технического обслуживания и ремонтов, так и возраст самого вагона. Эти параметры системы ремонта и срок службы вагона определяются в МПС директивно, так как на данный момент нет ясной общепринятой методики их расчетного обоснования.

Поэтому на первый план выходит проблема рационализации системы технического обслуживания и ремонта, ее расчетное теоретическое обоснование, а также обоснование срока службы в свете новой экономической политики МПС и концепции безопасности железнодорожного транспорта. Величина эксплуатационных затрат в значительной степени зависит от материалов, применяемых в вагоностроении.

С учетом вышесказанного в вагоностроении вновь наметилась перспектива применения алюминия. Ранее этому вопросу уже были посвящены многие исследования, науч-

ные и опытно-конструкторские разработки. Были работы, связанные с применением алюминиевых сплавов в конструкции полувагона, исследовавшие его прочностные и динамические качества. Однако недостаток этих работ на сегодняшний день в том, что в современных экономических условиях, с изменением соотношения цен на конструкционные материалы необходимо дополнительно исследовать экономическую сторону вопроса о целесообразности применения алюминиевых сплавов в вагоностроении.

Кроме того, ни одна работа не ставила перед собой задачи расчетным образом определить оптимальные срок службы и параметры системы ремонта вновь проектируемого вагона при серийном выпуске. Технико-экономические расчеты и практические исследования опытных конструкций полувагонов с кузовами из алюминиевых сплавов показали возможность снижение эксплуатационных расходов, при этом параметры системы технического обслуживания и ремонта принимались аналогичными стальным конструкциям. Учет свойств алюминиевых сплавов может дать существенный экономический эффект при введении рациональной для данного материала системы технического обслуживания и ремонта.

Оценке возможности применения алюминиевых сплавов в вагонных конструкциях, определению целесообразности их внедрения, поиску и обоснованию оптимального срока службы алюминиевых вагонов, составлению рациональной для данного вида конструкции системы технического обслуживания и ремонта посвящается данная работа. Задача, которая ставится в настоящем исследовании, - определить условия, при которых (с точки зрения тех или иных критериев) целесообразно использование алюминиевых сплавов в конструкции полувагона.

1. Состояние вопроса. Задачи и цель диссертации.

1.1. Опыт эксплуатации и проектирования полувагонов.

Парк полувагонов является самым многочисленным. На их долю приходится 45% грузооборота [1]. Из-за спада потребности в грузовых перевозках в последние годы парк оказался избыточным. Это позволило списать старые, не отвечающие требованиям по сохранности грузов и долго простаивающие вагоны. Однако при этом прекратилось обновление стареющего парка. Более чем в 12 раз уменьшился объем закупок нового подвижного состава по сравнению с 80-ми гг. [2].

В этих условиях вагонный парк интенсивно стареет, увеличивается средний возраст вагонов, ухудшается их техническое состояние. По данным Центрального ревизорского аппарата МПС растет число случаев нарушения безопасности движения, источником которых являются неисправные вагоны.

Ухудшение состояния вагонного парка является следствием воздействия множества эксплуатационных факторов на подвижной состав. Растет доля вагонов, поврежденных клиентами при погрузке и выгрузке, службой движения при маневровой и сортировочной работе на станциях. Причинами этого часто являются нарушения технологии проведения работ. Однако большинство нарушений (45%) происходит из-за низкого качества ремонтных работ. Согласно отчетам ВНИИЖТа и ВНИИВа основной причиной является недостаточный уровень диагностики и неразрушающего контроля [3], низкий уровень трудовой и технологической дисциплины. По статистике в настоящее время полувагон в среднем попадает в текущий отцепочный ремонт (ТР-2) 17 раз в год.

Растет доля вагонов с просроченными деповскими (ДР) и капитальными (КР) ремонтами, при этом более 30% вагонов проходят плановые ремонты досрочно (данные анализа ГВЦ МПС). Все это свидетельствует о том, что сложившаяся система позволяет на законных основаниях ставить в ремонт вагоны, менее всего нуждающиеся в нем.

Отсутствие как контроля над своевременностью проведения ремонта, так и слежения за техническим состоянием вагонов способствуют ухудшению состояния вагонного парка. Ряд проблем можно решить организационными мероприятиями, например, введением штрафных санкций за повреждение вагонов и некачественный ремонт, слежением за техническим состоянием вагонов, недопущением курсирования вагонов с просроченными плановыми ремонтами, контролем над остатком неисправных вагонов на станциях и т.д.

Действующая система технического обслуживания (ТО) и эксплуатации поддерживает работоспособное состояние конструкции в эксплуатации. Вводя понятие «среды», ученые предлагают осуществлять проектирование системы «вагон-среда» и закладывать ее параметры при разработке новых конструкций [4]. На параметры эксплуатационной среды наиболее сильно влияет клиент, формулируя требования к условиям перевозки, сохранности груза, к погрузке и выгрузке, а также служба движения, которая осуществляет "использование вагона по назначению" и вагонная служба, обеспечивающая техническое обслуживание и ремонт (ТОР).

Стоимость существующей инфраструктуры вагонного хозяйства сопоставима с балансовой стоимостью подвижного состава. Поэтому при проектировании новых конструкций необходимо согласовывать параметры конструкций и существующей инфраструктуры вагонной службы. В работах [5,6] предлагается вести поиск в рамках единой математической модели системы "вагон-среда".

Традиционно при разработке новых конструкций учитывались лишь требования клиентуры (в виде технического задания) и служб МПС (движения, пути) в виде норм расчетов вагонов на прочность. Целью проектирования было создание экономичной конструкции за счет уменьшения коэффициента тары вагона, что непосредственно связано с увеличением пропускной способности железных дорог.

Основными направлениями облегчения конструкции были: • подбор наиболее рационального сечения узла;

• уменьшение припусков на изготовление и коррозию за счет уточнения методик расчетов;

• снижение коэффициентов запаса, обусловленных погрешностями расчетов.

В настоящее время возможность облегчения стальных элементов конструкций, из которых в основном состоит вагон, традиционными методами ограничена. Кроме того, эти методы уже не могут дать значительного эффекта без снижения надежности.

К наиболее перспективным методам относят облегчение элементов ходовых частей за счет создания полых осей колесных пар, разработки облегченных колес с алюминиевыми центрами, рам тележек и надрессорных балок с использованием углепластиков.

Работы по модернизации ходовых частей вагона весьма ответственны, т.к. их надежная работа связана с безопасностью вагона в эксплуатации. Поэтому затраты времени и средств на исследования по применению новых материалов в этих элементах велики и почти в 10 раз превышают затраты на разработку элементов из традиционных материалов. Кроме того, стоимость изготовления конструктивных элементов подвижного состава из стали, алюминия, стеклопластиков, композита на арамидных волокнах и углепластика имеют следующие соотношения 1:5:10:100:500 соответственно [7]. Все это делает подобные разработки пока малоэффективными. Так, внедрение в эксплуатацию алюминиевого корпуса буксы, несмотря на доказанность преимуществ данного конструктивного решения именно для этого узла, у нас в стране потребовало 25 лет. Корпус буксы с крепительной крышкой из алюминиевого сплава стал весить 30,6 вместо 45 кг в прежних конструкциях, а облегчение составило 32% [8].

Наибольшую нагрузку на путь создают кузов и рама (вместе 49 %), колесные пары, боковая рама и надрессорная балка (рис. 1.1). Перспективным, по-видимому, является облегчение таких элементов вагона, как рама, кузов, обшивка кузова, ибо исполнение их из легких материалов наиболее реально. Основным способом облегчения кузовов вагонов становится применение новых конструкционных материалов. Кроме того, исследования ВНИИЖТа по-

казали, что для кузовов полувагонов коррозионные процессы сильно влияют на состояние конструкции и потребность в ремонтах (в затратах на ремонт) [9]. Для полувагонов доля изъятого по коррозии металла составляет 60% общего количества снятого металла, еще 10% приходится на металл, изымаемый из эксплуатации вследствие совместного действия механических и коррозионных повреждений.

Проблеме развития коррозионных процессов, исследованию влияния агрессивных сред и их классификации посвящено много научных и научно-исследовательских работ, в частности, Г.В.Акимова, Я.М.Колотырского, Н.Б.Томашева, А.Д. Фрумкина, И.Л.Розен-фельда, Ю.Н.Михайловсого, Ю.Р. Эванса, Г.Г.Улига, Ф.Мансфельда, Дж. Ньюкмена и др. Коррозионные процессы в вагонных конструкциях исследовали в отделе Металлов ВНИ-ИЖТа А.Д.Конюхов, Г.И.Осадчук и др.

Динамическое воздействие на путь элементов вагона

Пруж.ресс. компл. 4 %

Буксы 4%

22% Колесные пары

7%

5% 2%

2%

1%3% .

49% Рама, кузов

В Рама, кузов 0 Колесные пары И Буксы

□ Пруж. ресс. компл. ш Боковая рама ННадрессорн. балка Я ТРП тележки Ш Автосцепка И Поглощ. аппарат ш Тяговый механизм И Тормозное оборуд.

Рис. 1.1

Наиболее поврежда