Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
2
УКРАЇНСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ
Волошин Дмитро Ігорович
УДК 629.4.027.115
УДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМИ ТЕХНІЧНОГО
ОБСЛУГОВУВАННЯ ТА РЕМОНТУ БУКСОВИХ ВУЗЛІВ
ВАНТАЖНИХ ВАГОНІВ
05.22.07 –Рухомий склад залізниць та тяга поїздів
кандидата технічних наук
Харків - 2006
Робота виконана в Українській державній академії залізничного транспорту на кафедрі “Вагони”, Міністерство транспорту та звязку України.
Науковий керівник –доктор технічних наук, професор,
Головко Владислав Федорович,
Українська державна академія залізничного транспорту,
кафедра “Вагони”,
завідувач кафедри.
Офіційні опоненти –доктор технічних наук, професор,
Головінов Геннадій Георгійович,
Академія митної служби України,
кафедра “Транспортні системи та технології”,
завідувач кафедри.
- кандидат технічних наук,
Донченко Анатолій Володимирович,
Державний Український науково-дослідний інститут
вагонобудування,
директор.
Провідна установа –Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, кафедра „Залізничний транспорт”, Міністерство освіти і науки України, м. Луганськ.
Захист відбудеться “16” березня 2006 р. о 11 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.820.04 Української державної академії залізничного транспорту за адресою: 61050, м. Харків, майдан Фейєрбаха, 7, УкрДАЗТ.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Української державної академії залізничного транспорту, 61050, м. Харків, майдан Фейєрбаха, 7.
Автореферат розісланий “14” лютого 2006 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради Бойнік А.Б.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Вступ. Сучасний стан рухомого складу залізниць України потребує вирішення комплексу наукових та практичних задач його відновлення, утримання та ремонту. Напружена економічна ситуація, яка повязана з неможливістю належного фінансування галузі вагонного господарства, не дозволяє в повній мірі поповнювати парк вантажних та пасажирських вагонів. Це викликає необхідність подовження їх строку експлуатації і вимагає розробки науково-обгрунтованих рекомендацій, що повинні забезпечити на належному рівні їх надійність. Особливо це стосується буксових вузлів вантажних вагонів, показники надійності яких в експлуатації часто взагалі виходять за рамки своїх граничних значень.
Актуальність теми дисертації зумовлена необхідністю вирішення наукового завдання підвищення надійності буксових вузлів вантажних вагонів за рахунок удосконалення системи технічного обслуговування та ремонту. Буксовий вузол вагону має свої конструктивні та експлуатаційні особливості, які у першу чергу пов'язані з безпекою руху і його нормальна робота багато в чому залежить від технічного стану. Проведеними випробуваннями з метою з'ясування фактичного рівня надійності буксового вузла вагонів було виявлено, що в значній кількості буксових вузлів має місце зниження експлуатаційної надійності від проектної. Тому науково-прикладна задача удосконалення, розробки і впровадження нових технологій діагностики на підставі доопрацювання статистичних і інструментальних методів контролю технічного стану буксових вузлів вагонів має актуальне значення.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно діючих Державних програм і концепцій: “Реформування транспортного комплексу України”; “Реструктуризації на залізничному транспорті України”(від 1998р.); “Розвитку транспортно-дорожнього комплексу України на 2000-2004р.”, затвердженої Кабінетом Міністрів України від 30.12.2000р.; Програми підвищення безпеки руху на залізницях України в 1997-2001 р. (затверджена постановою Кабінету Міністрів України від 22.04.97 р. №367), Постанови Кабінету Міністрів України №821 від 04.08.97 р. „Про затвердження Концепції створення та функціонування національної мережі транспортних коридорів в Україні”, а також до науково-дослідницької роботи за темою „Проведення спостереження за роботою підшипників 42726Е2М та 232726Е2М з сепараторами зі склонаповненого поліаміду в буксах пасажирських вагонів з метою накопичення досвіду по їх експлуатації та ремонту” (держ. реєстрація 0103U001713).
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є покращення технічного стану вагонів шляхом удосконалення системи технічного обслуговування та ремонту і підвищення надійності їх буксових вузлів.
Виходячи з цього в дисертації поставлені наступні задачі:
- провести аналіз існуючих технічних рішень і заходів стосовно підвищення експлуатаційної надійності буксових вузлів вантажних вагонів та методів аналізу надійності складних технічних систем;
- виконати аналіз експлуатаційної надійності буксових вузлів вагонів з метою визначення фактичної надійності на розрахунковий період часу;
- формалізувати задачу визначення показників безвідмовної роботи буксових вузлів і одержання найбільш достовірної інформації про фізичні процеси, що протікають у буксовому вузлі в процесі експлуатації;
- доопрацювати існуючу систему технічного обслуговування та ремонту буксових вузлів і запропонувати наукові заходи, що здатні збільшити її ефективність;
- виконати загальне корегування параметрів системи технічного обслуговування та ремонту буксових вузлів вантажних вагонів з науковим обґрунтуванням її ефективності;
- визначити техніко-економічну ефективність впровадження нових заходів щодо удосконалення системи технічного обслуговування та ремонту буксових вузлів вантажних вагонів на основі корегування періодичності проведення ремонту та технічної діагностики.
Об'єкт дослідження - це процес корегування системи технічного обслуговування та ремонту буксових вузлів вантажних вагонів.
Предметом дослідження є буксовий вузол вантажних вагонів.
Методи дослідження. Вирішення наукової задачі виконано на основі системного підходу, з використанням методів технічної діагностики, теорії ймовірностей, теорії алгебри логіки, математичної статистики, теорії подібності та моделювання.
Наукова новизна одержаних результатів. Вирішена науково-прикладна задача підвищення надійності буксових вузлів вантажних вагонів, яка полягає у наступному:
Вперше:
- формалізовано метод для визначення параметрів безвідмовної роботи буксових вузлів на основі структурної математичної моделі з елементами логіки;
- досліджено особливості причинно-наслідкового механізму розвитку відмов в буксовому вузлі на основі графоаналітичного підходу;
- виконана оцінка надійності буксових вузлів вантажних вагонів з визначенням нових факторів, які впливають на їх знос за весь життєвий цикл.
Доопрацьовано:
- методи визначення показників безвідмовної роботи роликових підшипників буксового вузла на підставі розробленої математичної моделі;
- запропоновані наукові підходи щодо удосконалення системи технічного обслуговування буксових вузлів вантажних вагонів за рахунок корегування періодичності проведення ремонту та методу віброакустичної діагностики буксових вузлів, за рахунок застосування двохосьового датчика вібрації.
Практичне значення одержаних результатів. Запропонована модель відмов з елементами структурної логіки дає можливість отримати показники надійності для будь-якого типу буксових вузлів вагонів. Що дозволяє на основі отриманих даних визначити ті експлуатаційні фактори, що безпосередньо впливають на надійність буксових вузлів в цілому.
Розроблена модель дозволила проаналізувати існуючу систему технічного обслуговування та ремонту буксових вузлів вантажних вагонів та удосконалити її за рахунок зміни періодичності проведення технічного обслуговування та ремонту і впровадження прогресивних методів технічного діагностування вантажних вагонів.
Отримані положення впроваджена у навчальний процес УкрДАЗТ при вивченні дисциплін „Основи надійності вагонів”, „Технологія вагонобудування та ремонту вагонів”, у дипломному проектуванні, при виконанні науково-дослідних робіт студентів, на ІППК УкрДАЗТ при підготовці магістрів. Практичне впровадження результатів роботи підтверджується відповідними актами впровадження, що наведені у додатках до роботи.
Особистий внесок здобувача. Усі положення і результати, які виносяться на захист, були отримані автором самостійно. В роботах, що опубліковані у співавторстві, дисертанту належить: проведення аналізу існуючих способів аналізу надійності буксових вузлів з роликовими підшипниками з точки зору впливу на експлуатаційні властивості ходових частин та підвищення їх ресурсу 1; визначені найбільш уразливі місця роликових підшипників, які визначають виникнення аварійного стану буксового вузла 3, 5; розроблена математична модель „дерева відмов” для визначення показників надійності буксового вузла та отримані вихідні дані для розрахунку оптимальних термінів проведення планового ремонту буксових вузлів вантажних вагонів 2, 4. В додаткових працях: розроблений причинно-наслідковий механізм розвитку відмов в роликових підшипниках 2; визначені показники безвідмовної роботи роликових підшипників на основі експлуатаційних даних по відмовам 3.
Апробація результатів дисертації. Основні ідеї, положення та результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювалися на наступних конференціях: на 62, 63, 64 та 67 науково-технічних конференціях кафедр академії і фахівців залізничного транспорту, УкрДАЗТ у 2000, 2001, 2002 та 2005 рр.; XXXII науково-технічної конференції Харківської національної академії міського господарства, 2004 р. (м. Харків); другої науково-практичної конференції КУЕТТ „Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління”, 2004 р. (м. Київ); на другому міжнародному науково-технічному семінарі „Сучасні методи збирання в машинобудуванні та приладобудуванні”, 2002 р., (с. Свалява, Україна).
Повністю дисертаційна робота доповідалася на розширеному засіданні кафедри „Вагони” УкрДАЗТ в 2005 році.
Публікації. Відповідно до теми дисертації опубліковано 8 наукових робіт, з них 5 у виданнях, що затверджені ВАК України як фахові (з них одна одноосібно).
Структура роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг роботи містить 180 сторінок, з них обсяг основного тексту 125 сторінок, 34 сторінки додатків. Робота ілюстрована 51 рисунком, наведено 15 таблиць. Список використаних джерел складається з 114 найменувань.
У першому розділі, виходячи з мети дисертаційної роботи, проведено аналіз теоретичних та технічних розробок, які спрямовані на підвищення надійності та удосконалення конструкції буксових вузлів вагонів, а також аналіз існуючих методик дослідження надійності складних технічних систем.
Вагомий внесок у вирішення проблеми підвищення надійності буксових вузлів рухомого складу зробили відомі вчені: Абашкін В.В., Андрієвський В.Г., Борзилов І.Д., Горбенко А.П., Девятков В.Ф., Донченко А.В., Гайдамака А.В., Іванов С.Г., Лосєв А.В., Мартинов І.Е., Перов С.В., Устіч П.О., Шавшишвілі А.Д, Шевченко В.В., Чебаненко В.М., Цюренко В.М. та ін. Питаннями підвищення надійності рухомого складу та удосконалення системи його технічного обслуговування та ремонту займалися Бабанін О.Б., Боднар Б.Є., Бутько Т.В., Войнов К.М., Головінов Г.Г., Головко В.Ф., Дьомін Ю.В., Кельріх М.Б., Савчук О.М., Тартаковський Е.Д. та інші.
Розглянуто основні недоліки та переваги пропонованих технічних рішень і вибрано найбільш раціональний та науково обґрунтований метод аналізу надійності буксових вузлів вагонів, який дозволяє врахувати експлуатаційні та інші фактори, які не враховувалися в достатній мірі. Вважається, що лише при наявності необхідних за точністю вихідних даних можливо удосконалити систему ремонту буксових вузлів вантажних вагонів відповідно існуючим умовам експлуатації. Проведено аналіз існуючих методів дослідження надійності складних технічних систем з метою вибору найбільш раціонального. Обґрунтовано, що поставленій задачі відповідає метод „дерева відмов”, який дозволяє побудувати модель відмов і показати як причинно-наслідковий механізм виникнення відмов у роликових підшипниках буксових вузлів, так і визначити необхідні показники надійності.
Другий розділ присвячено розробці математичної моделі, яка відтворює механізм роботи буксового вузла, як в умовах нормальної експлуатації, так і при різних прогнозуємих шляхах розвитку відмов, у тому числі і гіпотетичних. Основною перевагою метода „дерева відмов” перед методами, які використовувалися в теорії надійності раніше, є можливість розробки схеми протікання і розвитку причинно-наслідкових процесів розвитку відмов в буксовому вузлі. До того ж усі процеси і причинні зв'язки, що відбуваються в буксовому вузлі, ставляться в жорстку відповідність тільки двом станам: працездатності і відмови. Метод „дерева відмов” реалізується в два етапи. На першому будується графічна модель причинно-наслідкового механізму відмов, що найбільш часто виникають в експлуатації. На другому етапі проводиться аналіз побудованого дерева, при якому разом з визначенням параметрів надійності системи виявляються найбільш критичні місця конструкції буксового вузла. Це дозволяє одержати чітке уявлення як про досконалість його конструкції, так і про відповідність реальним умовам експлуатації.
В рамках проведеного дослідження першочерговою задачею було встановлення верхової події для відмови буксового вузла, що по мірі проведення аналізу мало прийняти вид відмови одного з його елементів. Проміжні події, так само як і головна верхова подія в подальшому зводились в результаті логічних операцій до більш простих подій. Основою для аналізу причинно-наслідкового механізму являлися відмови елементів, які класифікувались по прийнятій у практиці схемі побудови „дерева відмов” (рис. 1).
Рис. 1. Основна структура „дерева відмов” для роликового підшипника
Для того, щоб забезпечити достатню точність обробки “дерева”, для кількісного аналізу був використаний метод аналогового моделювання сумісно із прямим аналітичним рішенням. Даний підхід полягав у наступному.
Вважаючи, що кожен елемент підшипника може знаходитися тільки в двох станах: працездатному () і непрацездатному (), його стан характеризувався m-мірним вектором
. (1)
Це відповідає тому, що на безлічі {Х} задається визначена булева функція, яка у математичній теорії надійності часто називається структурною функцією або функцією працездатності системи. Тобто якщо всі елементи підшипника працездатні, то і він сам в цілому працездатний, але якщо всі його елементи відмовили, то і він в цілому знаходиться в стані відмови. Після формалізації умов працездатності підшипника в структурній функції був виконаний перехід до функції імовірності типу
або , (2)
де P –імовірність виникнення відмови;
Rc –імовірність безвідмовної роботи підшипника;
Qc –імовірність його відмови.
Для визначення невідомих значень імовірностей вторинних і базових відмов роликових підшипників було запропоновано метод експертних оцінок, який дозволив зробити необхідні розрахунки з прийнятою складністю та достовірністю результатів.
При проведенні кількісного аналізу розробленої відмови була побудована еквівалентна “гілка дерева”, де елементарним подіям у відповідність поставлені незалежні змінні упорядкованого від елементарних відмов числового ряду х, х, х …... хn.
Після чого записувалася структурна функція стану роликового буксового вузла в булевій та алгебраїчній інтерпретації для формалізації процесу аналізу надійності, і спрощення розрахунків імовірності безвідмовної роботи та імовірності відмови.
(3)
,
де Аi –базова подія „дерева відмов”.
Використовуючи дані статистики та коефіцієнти важливості були визначені значення імовірностей для базових подій „дерева”.
Безперервна функція роботи буксового вузла протягом часу як імовірність безвідмовної роботи має наступний вигляд (рис. 2):
Рис. 2. Імовірність безвідмовної роботи роликових підшипників
згідно розробленої моделі відмов
Згідно отриманій залежності з 90-% імовірністю безвідмовної роботи буксові вузли функціонують на інтервалі наробітку від 1-го до 4-х років. З огляду на той факт, що відносно роликових підшипників (які прямо визначають надійність усього буксового вузла) завод-виготовлювач визначає гарантійний термін як 3 роки з моменту експлуатації або 100 тис. км. пробігу, можна зробити висновок, що отримана причинно-наслідкова модель з високою точністю визначила надійність досліджуваних буксових вузлів.
Третій розділ присвячено вирішенню питань, що повязані з дослідженням експлуатаційної надійності буксових вузлів вантажних вагонів. Відповідно до конструкторської і проектної документації, довговічність роликових підшипників буксових вузлів вантажних вагонів повинна складати не менш 1,5 млн. км пробігу (16 років), а пасажирських –,0 млн.км (15 років), що підтверджує високу надійність підшипників, закладену при проектуванні. Однак, на практиці фактична надійність роликових підшипників не відповідає розрахунковій і постійно знижується. Варто помітити, що за останні роки число відчеплень вагонів внаслідок відмов буксових вузлів помітно збільшилося.
Треба відмітити, що при експлуатації буксових вузлів найбільш часто вони виходять з ладу в результаті виникнення поступових відмов підшипника. Ці відмови характеризуються поступовою зміною одного або декількох заданих параметрів підшипника. Зміни виникають внаслідок систематичних, які повторюються циклічно, процесів. До поступових відмов відносять втомні раковини та тріщини, корозійні пошкодження та ін., тобто ті, які і визначають довговічність підшипників. До того ж імовірність виникнення поступової відмови в заданому інтервалі часу залежить від тривалості попереднього періоду експлуатації.
В межах проведеного дослідження була оброблена інформація більш ніж про двадцять шість тисяч підшипників вантажних вагонів. Виявлено, що найбільш часто в експлуатації пошкодження підшипників відбуваються через поверхневу та точкову корозію на доріжках кочення зовнішніх кілець –,63 %. Далі в порядку зменшення: випадання роликів із гнізд сепаратора –,27 %, задири та задирки на бортах зовнішнього кільця –, 49 %, задири та задирки на торцях роликів –, 26 %, втомні раковини на доріжці кочення кільця –,18 %, шелушіння на поверхні ролика –,15 % (рис. 3).
Рис. 3. Причини виходу з ладу підшипників
Необхідно зауважити, що аналіз надійності роликових підшипників істотно ускладнений. Повязано це насамперед з тим, що ремонт буксових вузлів є знеособленим. В результаті чого підшипники з одного вузла при ремонті ставлять в іншій. Тому експериментальні дані про відмови підшипників або їх відсутність відомі лише за деякий період часу, який передує попереднім обстеженням.
Це вирішується таким чином, що встановлення відсутніх даних відбувається шляхом розрахунку імовірностей відмов підшипників у періоди, коли спостереження за ними не проводилося. Нехай є типових буксових вузлів вантажних вагонів. Контроль їх працездатності здійснюється з періодом . З огляду на той факт, що відповідно до проектної документації підшипники є високонадійними виробами, імовірністю двох та більш відмов того самого підшипника протягом заданого періоду можна зневажити. Необхідно зауважити, що тривалість інтервалу , достатнього для проведення контролю працездатності і відновлення підшипників, значно менше, ніж . Особливістю отриманих експериментальних даних є те, що в період контролю підшипників невідомо число попередніх відмов об'єкта; відомий лише факт його безвідмовності або відмови за період .
Позначимо імовірність відмови підшипників за один період роботи (0; 1) через р, за другий – (1; 2) = р і т.д. (рис. 4).
Рис. 4. Структура графів можливих станів підшипників буксового вузла
Маючи на увазі, що
, (4)
де m –число підшипників, які відмовили з визначеним наробітком;
n –загальне число підшипників з визначеним наробітком.
;
............………………………...... . (5)
.
Точки емпіричної функції розраховувалися наступним чином
, (6)
Використовуючи отримані значення емпіричної функції розподілу була встановлена закономірність наробітку підшипників до відмови з визначенням параметрів розподілу Вейбула-Гніденка
, (7)
де а –параметр масштабу; b –параметр форми.
Оцінка параметрів даного розподілу визначалась за допомогою методу максимальної правдоподібності.
Формули для оцінки параметрів мали наступний вигляд
; (8)
, (9)
де n –наробітки до відмови;
ti –повні реалізації;
l –різні безвідмовні наробітки;
j –неповні реалізації.
Після обчислення одержані кількісні значення параметрів = 15,87 , = 1,86. Тобто функція розподілу наробітку до відмови розглянутих циліндричних роликових підшипників має вигляд
.
В графічному виді вона представлена на рис. 5
Рис. 5. Теоретична функція розподілу наробітку до відмови
роликових підшипників
Аналізуючи представлену залежність імовірності безвідмовної роботи можна відзначити, що дана умова не буде виконуватися після наробітку підшипників до відмови більше 5 років. Що по суті в три рази менше розрахункового рівня згідно проектної документації.
В четвертому розділі розглянуто питання удосконалення системи технічного обслуговування та ремонту буксових вузлів вантажних вагонів. У країнах СНД у 30-х роках минулого сторіччя була розроблена і впроваджена система планово –попереджувальних ремонтів. На цей час ця система використовується і на всіх дорогах Укрзалізниці.
Але як свідчать останні роботи присвячені аналізу системи технічного обслуговування і ремонту, вона має ряд недоліків, які суттєво знижують її ефективність. Основним недоліком цієї системи є знеособленість проведення ремонту вузлів вагонів, завдяки чому на сучасний момент велика кількість вагонів, які експлуатуються, знаходяться в передаварійному стані з-за низької якості ремонту та відсутності необхідного матеріального забезпечення лінійних підрозділів депо. До того ж має місце не тільки низька за якістю система неруйнівної діагностики фактичного стану буксового вузла, а й явно простежується вплив людини на процес ремонту та негативні фактори цього впливу подалі.
Одним з ефективних засобів підвищення безпеки вагонів є здійснення заходів щодо зменшення інтервалу між моментами появи і виявлення небезпечних відмов (). Ця величина найбільш повно характеризує моменти своєчасного виявлення відмов буксового вузла. Маючи в наявності експериментальні дані стосовно характеристик випадкової величини , це можливо трактувати як математичну модель безпеки буксового вузла (рис. 6).
Рис. 6. Постановка задачі удосконалення системи технічного
обслуговування та ремонту
До того ж дана модель є показником ризику аварії буксового вузла як найважливішої характеристики його безпеки.
Тобто мінімально важливим є вибір раціонального співвідношення між характеристикою безвідмовної роботи та періодичністю запланованих ремонтів LБВ (параметром безпеки).
Наробіток буксового вузла до граничного стану виражається через випадкові наробітки до відмови
, (10)
де i –наробіток i-го елементу буксового вузла до небезпечної відмови,
(i=1, n).
Для запропонованих умов вираз для функції розподілу має наступний вигляд
(11)
,