Стратегия управления надежностью локомотивов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.4.001.1

В.А. ЧЕТВЕРГОВ, С.М. ОВЧАРЕНКО

Омский государственный университет путей сообщения

СТРАТЕГИЯ УПРАВЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТЬЮ ЛОКОМОТИВОВ_

Одной из важнейших проблем локомотивного хозяйства является повышение надежности работы тягового подвижного состава. Эта проблема остается актуальной и в настоящее время. Ежегодно ОАО РЖД теряет огромные средства из-за низкого уровня надежности локомотивного парка. Поэтому большое значение имеет управление его надежностью в процессе эксплуатации, технического обслуживания и ремонта.

Важнейшим элементом экономики страны является транспортная система, главная задача которой состоит в полном и своевременном удовлетворении потребностей народного хозяйства и населения в перевозках, повышении эффективности и качества работы всех звеньев транспорта. В транспортной системе России ведущее место занимают железные дороги, прогресс которых неразрывно связан с техническим уровнем и эффективностью локомотивной тяги.

Железнодорожный подвижной состав представляет собой сложную многоэлементную техническую систему, в которой отдельные элементы, в свою очередь, объединены в многочисленные узлы и агрегаты. Износ такой системы характеризуется суммарным наложением всех единичных износов отдельных элементов, составляющих узел или агрегат. Такие суммарные износы, ограничивающие различные продолжительности нормальной эксплуатации, определяют ресурс работы каждого отдельного узла или агрегата по минимальной продолжительности входящих элементов. В связи с этим постоянно существует потребность в повышении эффективности использования и уровня надежности локомотивов.

Известно, что функциональные показатели качества локомотивов, определяющие их производительность и экономичность (мощность, сила тяги, скорость, удельный расход топлива и т, д.), а также надежность как способность сохранять эти показатели на требуемом уровне в эксплуатации — закладываются на стадии создания локомотивов.

Надежность тепловозов в эксплуатации определяется значениями его рабочих характеристик при воздействии нагрузок, определяемых режимами работы и условиями внешней среды, а также системой технического обслуживания и ремонта.

Техническое состояние локомотивов в процессе эксплуатации изменяется, точнее говоря, ухудшается поддействием эксплуатационных факторов (внешних и внутренних) вследствие изнашивания деталей и механизмов, нарушения регулировок, ослабления креплений, поломок и других неисправностей. В результате снижается надежность узлов, агрегатов и локомотива в целом. Таким образом, ресурс надежности, заложенный в конструкции локомотива при проектировании и постройке, постепенно расходуется, и при его значении ниже определенного уровня может произойти отказ локомотива на линии, что может стать причиной аварии, нарушения графика движения поездов, перерасхода топлива или электроэнергии и т. п.

Роль и значение системы технического обслуживания и ремонта возросли в последний период в свя-

зи с обострением проблемы надежности локомотивного парка тягового подвижного состава за годы перестройки, когда из-за кризисных явлений в экономике страны локомотивный парк не обновлялся более десяти лет. Расходование ресурса существующего локомотивного парка за эти годы достигло угрожающего уровня - до 67 % в 2003 г.

Большие задачи в области совершенствования технического обслуживания и ремонта, повышения надежности локомотивов поставлены Министерством путей сообщения (ОАО РЖД) в «Комплексной программе реорганизации и развития отечественного локомотиво- и нагоностроения, организации ремонта и эксплуатации пассажирского и грузового подвижного состава на период 2000 — 2010 гг.». В ней детально рассмотрен вопрос обновления парка подвижного состава за счет производства локомотивам капитальных ремонтов с продлением срока службы и глубокой модернизацией, а также освоением промышленностью производства подвижного состава нового поколения. Определены основные направления совершенствования технических решений, которые позволят вывести отечественный подвижной состав на новый качественный уровень по эксплуатационной эффективности, надежности, безопасности движения и снижению эксплуатационных и ремонтных затрат.

Структура цикла создания и использования локомотива включает в себя ряд периодов (стадий). Период создания включает стадии научно-исследовательских разработок, проектирования, изготовления опытных образцов, их испытания и доводки и организации производства.

Период использования состоит из времени активной эксплуатации тепловоза, простоя его в ремонте и времени нахождения в запасе в работоспособном состоянии. На каждой стадии имеют место факторы, которые приводят к разбросу технологических, конструктивных и эксплуатационных параметров, характеризующих рабочие свойства тепловоза и способность их сохранять во времени, то есть надежность.

На стадии изготовления должны быть обеспечены заложенные в проекте рабочие характеристики Хр узлов и деталей локомотивов за счет соответствующих технологических приемов и применения необходимых материалов. Это должно обеспечить при расчетных нагрузках в эксплуатации реализацию расчетной длительности работы узлов и деталей до разрушения или другого предельного состояния. Практика показывает, что, несмотря на стабильность технологии и применение одних и тех же материалов для изготовления однотипных деталей, вместо конк-

Надежность

Эксплуатация

(ХУ'СТУ .V,)-* Е,

(Хуо>°>„ У0.о ) ~* ^у.тщ

Система ремонта

V,)

(Ь ,5) —> Е

(Ь0Л)^Ерт1Г1

Рис. Модель связей надежности локомотивов

ретного детерминированного значения рабочего свой-

ющей плотностью ^(х).

Создание элементов с более высокими начальными свойствами, естественно, требует увеличения затрат в процессе создания Ес, то есть эти затраты являются некоторой функцией начальных характеристик рабочих свойств

Ес = ^ес(Хр)-

(1)

Разброс рабочих свойств, характеризуемый коэффициентом вариации, является не только следствием наличия допусков на значения тех или иных параметров элементов, но и отклонениями от допусков, которые имеют место при нарушениях технологии изготовления и низком качестве выходного контроля.

Заложенная на стадии изготовления надежность реализуется в конкретных условиях эксплуатации, причем на узлы и детали локомотива оказывают влияние параметры, как внешней среды, так и режимов работы. Необходимо отметить, что параметры внешней среды неодинаковы на различных участках сети железных дорог и изменяются в широком диапазоне в течение года.

Наибольшее влияние на надежнос ть узлов и деталей локомотивов оказывают влияние нагрузки в эксплуатации, определяемые режимами работы. Для совокупности однотипных узлов и деталей действующие в эксплуатации нагрузки Х5 являются случайной величиной, а их изменение — случайным процессом.

Поддействием эксплуатационных нагрузок происходит износ или разрушение деталей, что сказывается на работоспособности и эффективности работы локомотива. Поэтому в зависимос ти от условий эксплуатации и режимов работы будут изменяться и расходы на техническое обслуживание из-за снижения экономичности и ущерба от отказов локомотивов. Таким образом, суммарные затраты в эксплуатации являются некоторой функцией условий и режимов, то есть

Е,=уЕ,(Х,). (2)

Очевидно, что меньшему уровню нагрузок и менее жестким климатическим условиям будут соответствовать меньшие затраты и наоборот. В зависимости от специфики детали и условий нагружения может произойти внезапный выход из строя (разрушение) или постепенное изменение параметра, определяющего работоспособность, в сторону ухудшения. Конечным результатам такого процесса является выход параметра за границы допускаемых значений, то есть параметрический отказ.

Значительное влияние на надежность локомотивов в эксплуатации оказывает система их ремонта,

определяемая совокупностью ее параметров Ъ (количество видов ремонта, межремонтные пробеги и др.). Таким образом, между надежностью локомотивов и системой обслуживания и ремонта существует как прямая, так и обратная связь (рис.).

В частности, уменьшение межремонтных пробегов способствует повышению надежности локомотивов в эксплуатации, но сопряжено с возрастанием затрат времени, труда и финансовых средств на выполнение плановых ремонтов. Таким образом, суммарные ремонтные затраты на восстановление надежности являются функцией параметров системы ремонта, то есть

Ер=Уер(2р). (3)

На основании проведенного анализа можно заключить, что уровень надежности локомотивов в эксплуатации формируется рассмотренными факторами, то есть

н,=ч/,(хр,х„гр)- (4)

Суммарные затраты, связанные с обеспечением и поддержанием надежности

Е1 = Ес+Еэ+Ер = уЕ1(ХрХз2р). (5)

При решении задачи управления надежностью (ее оптимизации) следует считать управляемыми такие факторы, как рабочие свойства Хр, заложенные при создании, и параметры системы ремонта Z . Наличие зависимостей элементов затрат от начальных рабочих свойств и от параметров системы ремонта, а также уровня надежности от тех же управляемых факторов дает возможность находить оптимальный уровень надежности при изготовлении и оптимальную систему ремонта путем минимизации суммарных затрат Е^ или их составляющих Ес и Е .

Создание локомотива повышенной надежности Н по сравнению с базовым образцом Н0 сопряжено с увеличением затрат. Одна из возможных моделей этой зависимости (вариант аппроксимации) имеет вид

XV

(6)

Р = Е

со

кпо

К

П1

где ЕС0,ЕС1 — стоимость создания локомотива с уровнем надежности соответственно Н0 и Н,;

КП0,КП] - коэффициенты простоя локомотива с уровнем надежности Н0 и Н,;

а - показатель, характеризующий степень возрастания затрат при повышении надежности.

Расходы на техническое обслуживание и ремонт локомотива за время I составят

Етор1=ето(1-КП1)1+епКпЛ

(7)

где ето,еп - удельные затраты соответственно на техническое обслуживание и ремонт, приходящиеся на единицу времени нахождения тепловоза в исправном и неисправном состояниях.

Тогда суммарные затраты, зависящие от уровня надежности, составят

К

по

к

+

П1 У

(8)

с!Е

с1кп

+ Етор1 Есо +ето(1-КП1)1+епКП11

Из уравнения (8) можно определить, что при = 0 минимальному значению Е^-, соответству-

XI _

ет оптимальный уровень надежности, определяемый коэффициентом простоя ]

кг

аЕ,

К8+1

14 по .

(9)

Величина затрат на создание детали Ес зависит не только от уровня среднего показателя надежности, но и от степени его разброса. Поэтому можно предположить, что зависимость затрат Ес от показателей надежности Ь и с^ можно аппроксимировать выражением ^

Ес(Ь,а,>ад1>+ — + сг (10)

где ад,ад,Ь,р,С — некоторые константы, определяемые по статистическим данным.

"Учитывая затраты на плановые ремонты Сп и неплановые Сп при эксплуатации локомотива получим суммарные затраты

ь

(11)

+спР(Ьр)+Сн[1-Р(Ьр)] где Р(Ьр) — вероятность безотказной работы локомотива за межремонтный пробег Ьр, определяемая через плотность распределения пробега до отказа f (£) по выражению

Р(Ьр) = 1-

(12)

Одним из перспективных направлений решения задачи управления надежностью локомотивов в эксплуатации является переход на ремонт по техническому состоянию. Такой подход предполагает определение объемов восстановления на основе результатов технического диагностирования, проводимого с установленной периодичностью. По результатам диагностирования принимают решение об исправном или неисправном состоянии, определяют остаточный ресурс работоспособности, обеспечивающий должную надежность и безопасность в эксплуатации. Такая система обслуживания и ремонта охватывает узлы и агрегаты, конструкция которых, а также возможности технических средств не-разрушающего контроля позволяют обеспечить ресурс до следующего регламентированного диагностирования или ремонта. Преимущества данной системы состоят в адресности ремонта — он выполняется только тогда, когда необходим по техническому заключению

Достижение заданного (оптимального) уровня надежности локомотивов при реализации ремонта и обслуживания по техническому состоянию осуществляется за счет своевременного проведения профилактических и ремонтных работ, позволяющих, с одной стороны, максимально исключить отказы узлов в процессе эксплуатации и, с другой стороны, максимально использовать их ресурс. Осуществление такого подхода невозможно без создания эффективной системы диагностирования, позволяющей получать достоверную информацию о текущем техническом состоянии локомотивов.

Выражение (11) дает возможность найти оптимальные значения показателей надежности Ьо и С^ .

ЧЕТВЕРГОВ Виталий Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Локомотивы». ОВЧАРЕНКО Сергей Михайлович, кандидат технических наук, доцент, докторант кафедры «Локомотивы».

Дата поступления статьи в редакцию: 14.06.2006 г. © Четвергов В.А., Овчаренко С.М,

Объявление

Ассоциация инженерного образования России приступила к формированию четвертого номера журнала «Инженерное образование» (выпускв феврале 2007 г.).

Подготавливаемый номер журнала будет посвящен решению проблем опережающего инновационного образования: содержание, образовательные технологии, организация, а также проектирование инновационных образовательных программ. Приглашаем вас принять участие

Редакционная коллегия