CC BY
181
УДК 629.424.3:621.436
В. А. Четвергов, Д. В. Балагин, О. В. Балагин
АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ НАДЕЖНОСТЬ ТЕПЛОВОЗОВ НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА
В статье с позиций единого жизненного цикла тепловозов, от создания до списания, рассмотрены основные факторы, влияющие на уровень их надежности. Значение этих факторов даст возможность связать математической моделью потенциальный уровень надежности, закладываемый в техническом задании на проектирование новых тепловозов, с фактической надежностью в конкретных условиях эксплуатации и на этой основе определить оптимальные параметры системы технического обслуживания и ремонта, соответствующие максимальной эффективности использования тепловоза за весь жизненный цикл.
Тепловоз как разновидность локомотивов, имея одинаковое с другими локомотивами функциональное назначение - обеспечивать силу тяги для перемещения состава вагонов, характеризуется существенными отличиями от паровозов, электровозов, газотурбовозов. Эти отличия имеют место не только в конструкции, но также в условиях эксплуатации, режимах работы и в организации и технологии технического обслуживания и ремонта. Приведенные факторы определяют некоторую специфику влияния на требуемый уровень надежности тепловоза и его узлов при их создании, а также фактическую надежность в эксплуатации, обеспечиваемую с помощью системы технического обслуживания и ремонта.
Тепловоз имеет силовую установку в виде теплового двигателя и тяговую передачу, состоящую чаще всего из электрического генератора и электрических двигателей. На тепловозе представлены практически все виды преобразования энергии. В эксплуатации происходит изменение состояния материала деталей, входящих в состав перечисленных устройств (агрегатов, узлов) для осуществления перечисленных преобразований энергии, именно под действием этих видов энергии. Так, под действием механической, электрической, тепловой, химической и электромагнитной энергии формируются процессы старения, изнашивания и разрушения, приводящие к повреждениям и отказам деталей и узлов (изнашивание путем поверхностного истирания, накопления усталостных напряжений и деформаций, перегрев, расплавление, химическая и электрохимическая коррозия, пробой изоляции и т. п.). Это приводит к многообразию видов повреждений и отказов и вызывающих их причин [1].
Применение на тепловозах в качестве силовой установки двигателей внутреннего сгорания приводит к наличию на тепловозе ряда характерных систем: воздухоснабжения, топливной, водяной, масляной и выхлопной. Основными элементами этих систем, выполняющими их главные функции, являются рабочие тела: воздух, топливо, охлаждающая жидкость, масло, отработавшие газы. В отличие от обычных деталей, из которых состоит узел или агрегат, называемых конструктивными элементами, указанные рабочие тела не имеют строгих форм, размеров, свойственных обычным деталям, и называются неконструктивными элементами, но они имеют совокупность свойств, которые обеспечивают выполнение системой заданных, необходимых для нормальной работы дизеля и тепловоза функций, если показатели этих свойств находятся в требуемых пределах. В противном случае происходит ухудшение или потеря работоспособности дизеля, т. е. повреждение или отказ.
Так, если в воздухе, направленном в цилиндры дизеля, имеется абразивная пыль, то в процессе работы будет наблюдаться интенсивный износ гильзы цилиндра, поршневых колец, приводя в итоге к неисправности цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Аналогичное требование предъявляется к дизельному топливу, поскольку наличие в нем механических примесей приводит к интенсивному изнашиванию втулки и плунжера топливного насоса высокого давления (ТНВД), что вызывает ухудшение герметичности, изменение цикловой подачи и снижение качества распыла топлива. Наличие в топливе влаги, а также примесей фосфора и серы отрицательно влияет на состояние деталей ЦПГ за счет повышения химической агрес-
сивности рабочего тела в цилиндре. Приведенные примеры составляют лишь часть комплекса показателей и требований, предъявляемых к названным «неконструктивным» элементам тепловозных дизелей с позиции обеспечения их надежности в эксплуатации. Например, нормы браковочных параметров моторного масла, несоблюдение которых приводит к нарушению работы узлов и деталей, смазываемых и охлаждаемых маслом марки М14 и М12Б, включают в себя следующие параметры [3]:
о
- вязкость кинематическая при 100 °С (не менее 9,5 и не более 14,5 мм /с) - ГОСТ 33-82;
- общее щелочное число (М2 КОН на 1 г) для масел М12Б, МС-20п (0,3^0,6) - ГОСТ 11962-76;
- температура вспышки, определяемая в открытом тигле (170 °С) - ГОСТ 4333-48;
- содержание массовой доли (следы наличия) - ГОСТ 1547-84;
- диспергирующая способность (не менее 0,35) - ГОСТ 2477-65.
Наличие на тепловозе водяной и масляной систем не только является специфической чертой конструкции тепловоза, но и осложняет его эксплуатацию в зимнее время. Во время стоянок на путях депо и нахождения в резерве необходимо применять специально разработанные способы поддержания необходимой температуры рабочих тел в этих системах. От эффективности решения указанной проблемы существенно зависит техническое состояние многих узлов дизеля и скорость изнашивания трущихся пар при запуске дизеля и работе в холодном состоянии. При неудовлетворительном температурном режиме возможно размораживание секций холодильника, приводящее к отказу тепловоза и неплановому ремонту, т. е. к снижению надежности.
Несмотря на значительную подверженность узлов и тепловоза в целом действию многих факторов, отрицательно влияющих на надежность узлов и элементов конструкции тепловоза, при проектировании не закладывают специальные схемы резервирования и применения избыточных элементов, находящихся в холодном резерве. Тем не менее можно рассматривать создание магистральных тепловозов в двух- и трехсекционном исполнении как применение горячего резерва. Это позволяет существенно повысить надежность вывода состава с тягового участка в случае отказа одной секции. К такому же эффекту в отношении повышения надежности приводит наличие двух тормозных компрессоров, возможность отключать из работы часть цилиндров в многоцилиндровых дизелях, а также отключать отказавший тяговый двигатель. В основном же безотказность тепловоза достигается соответствующим качеством и долговечностью комплектующих элементов и своевременным обнаружением и устранением повреждений в эксплуатации.
Поэтому уже на стадии проектирования необходимо учитывать требования, предъявляемые к надежности тепловозов при их создании с учетом условий эксплуатации. Изменение потенциального уровня надежности, заложенного при создании тепловозов, происходит при их использовании в конкретных условиях эксплуатации под действием внутренних рабочих нагрузок и внешних факторов, свойственных внешней среде на том или ином тяговом участке. Под действием этих факторов в узлах и деталях тепловоза протекают процессы, приводящие к износу, старению материала деталей, разрегулировке взаимодействующих и сопряженных элементов, к снижению и, наконец, к потере работоспособности, т. е. к отказу. Изучение (качественный и количественный анализ этих процессов) физики отказов необходимо для эффективного управления надежностью тепловозов на всех этапах их жизненного цикла. Таким образом, в процессе проектирования, изготовления, испытаний, эксплуатации, технического обслуживания и ремонта необходимо располагать полными и достоверными данными о причинах и последствиях повреждений и отказов.
Надежность является комплексным свойством тепловоза, которое включает в себя безотказность, долговечность и ремонтопригодность, а при хранении в условиях запаса (резерва) и сохраняемость. Для конкретных типов тепловозов и условий их эксплуатации указанные аспекты надежности могут иметь различные нормируемые и фактические значения их показателей.
Требования, предъявляемые к надежности тепловозов, на стадии создания определяются общими техническими требованиями к магистральным и маневровым тепловозам, уточняют-
ся по техническим условиям на конкретный тип тепловоза и подтверждаются «Картой технического уровня и качества продукции» [1].
Перечень сборочных единиц, номенклатура и нормативные показатели долговечности, а также объемы работ при техническом ремонте (ТР) и капитальном ремонте (КР) зависят от назначения тепловоза по роду работу, конструктивного совершенства комплектующих элементов, характеризующихся значениями рабочих параметров, и условий предстоящей эксплуатации.
Значения рабочих параметров при изготовлении должны находиться в установленных границах поля допуска, т. е. уже при изготовлении рабочие параметры не детерминированы, а имеют некоторые распределение, разброс относительно среднего значения.
Кроме показателей долговечности в соответствии с техническими условиями (ТУ) на стадии создания тепловоза обычно устанавливаются нормы сменяемости основных комплектующих элементов для одной секции тепловоза за весь срок его службы и до первого капитального ремонта.
На потенциальный уровень надежности, заложенный при создании тепловозов, существенное влияние оказывают условия эксплуатации и режимы их работы. К основным физическим факторам, влияющим на надежность тепловозов, выявляемую в эксплуатации, относятся
степень совершенства конструкции, ее соответствие условиям эксплуатации и режимам работы;
совершенство технологии изготовления тепловоза и ее строгое соблюдение (качество изготовления);
климатические условия эксплуатации, параметры внешней среды;
интенсивность использования, режимы работы, определяемые видом работы (грузовые, маневровые, пассажирские).
Неполный или неправильный учет при проектировании и создании тепловоза условий и режимов его работы в период предстоящей эксплуатации, несоблюдение в конструкции тепловоза требований ремонта и контролепригодности элементов проявляются при их эксплуатации ухудшением безотказности и ремонтопригодности, сокращением долговечности [3].
В комплекс параметров внешней среды, в которой работают тепловозы, входят в следующие погодно-климатические параметры [2]: температура воздуха; атмосферное давление; влажность атмосферного воздуха; запыленность воздуха (содержание абразивных частиц); атмосферные осадки (дождь, снег, роса, иней, гололед).
Скорость процессов, протекающих в узлах и деталях тепловозов и вызывающих снижение работоспособности и надежности, в значительной степени определяется интенсивностью использования тепловозов, режимами их работы, зависящими, в свою очередь, от следующих эксплуатационных факторов: профиль пути (величина подъемов, их частота и протяженность, количество кривых, их радиус), масса поезда, скорость движения поездов по тяговому участку.
Важнейшей характеристикой внешних условий является температура с ее сезонным изменением. В таблице 1 приведены данные о распределении времени работы инвентарного парка тепловозов Северо-Кавказской, Западно-Сибирской, Восточно-Сибирской и Забайкальской железных дорог при различной температуре в трех климатических зонах сети железных дорог РФ.
Таблица 1 - Время работы тепловозов по зонам при различной температуре
Интервалы температуры воздуха, °С Зоны, %
Южная Сибирская Забайкальская
Ниже -40 - - 4
От -40 до -20 - 12 27
От -20 до 0 8 39 42
От 0 до +20 51 41 25
От 20 до 40 40 8 2
Выше 40 1 - -
Воздействие окружающей среды, усиленное высокой интенсивностью использования тепловозов, на их узлы и детали приводит к нарушению работоспособности, изменению рабочих параметров и характеристик. Чтобы обеспечить безотказную и эффективную работу тепловозов, необходимо знать, какое влияние оказывают на них факторы внешней среды и системы эксплуатации. Схема этого влияния факторов внешней среды на работоспособность тепловозов, надежность деталей, узлов и тепловоза в целом приведена на рисунке [2].
Влияние параметров окружающей среды на надежность узлов и деталей тепловозов
Низкая температура зимой вызывает возрастание вибрации экипажной части и всего локомотива из-за увеличения жесткости верхнего строения пути. Это отрицательно отражается на работоспособности тяговых электродвигателей и секций радиатора холодильника. В морозные дни на головках рельсов образуется пленка - конгломерат воды, песка и пыли, которая резко снижает сцепление бандажей колесных пар с рельсами и нередко вызывает буксование колес. При этом возрастает износ бандажей. В зимнее время возможны попадание внутрь тяговых электродвигателей снега и осаждение влаги на открытых поверхностях изоляции, что приводит к ее увлажнению и ухудшению изоляционных свойств. Условия холодного климата неблагоприятны для тормозной системы тепловоза, стальных конструкций, резиновых муфт.
В летний период работа тепловозов затруднена из-за частых пылевых бурь. Твердые частицы, содержащиеся в воздухе, вызывают абразивный износ трущихся поверхностей деталей дизеля, тяговых электродвигателей и узловой экипажной части, накапливаются в фильтрах и в оребрении секций холодильника. Высокая температура воздуха способствует быст-
рому старению электроизоляционных материалов, потере эластичности резиновых деталей и ухудшает качество функционирования систем охлаждения воды и масла.
При высокой температуре уменьшение массы подаваемого в цилиндры воздуха ведет к понижению мощности дизеля, неполному сгоранию топлива и повышенному нагарообразо-ванию на деталях цилиндропоршневой группы.
Существенное влияние на надежность тепловозов оказывают вид выполняемой работы, интенсивность и режимы работы. Различные виды работы тепловозов характеризуются разными уровнем используемой мощности дизеля, величиной скорости движения, частотой переключения позиций и долей времени работы на холостом ходу. В таблице 2 показано распределение (%) локомотивного парка по видам выполняемых работ.
Таблица 2 - Распределение локомотивов по видам работы
Вид работ Все локомотивы, % Виды тяги, %
электрическая тепловозная
Грузовое движение 50 70 40
Пассажирское движение 16 24 1
Передаточное и вывозное 5 3 7
Хозяйственное движение 2,5 1 4
Подталкивание 1,5 1 3
Специально маневровая работа 24 1 27
Прочие виды работы 1 - 9
Эксплуатационные режимы работы тепловозов, их энергетических установок отличаются разнообразием, обусловленным различными видами работы, массой поездов, параметрами пути, скорости, климатическими условиями. К числу основных режимов работы тепловоза можно отнести установившийся (стационарный) и неустановившийся (нестационарный) режимы. Неустановившийся режим связан с пуском дизеля, набором и сбросом нагрузок при работе на промежуточных позициях.
Известно, что в эксплуатации доля холостого хода дизеля составляет до 50 % общего времени работы тепловоза [2]. При этом дизель используется для привода тормозного компрессора (для поддержания давления воздуха в тормозной магистрали), вентиляторов охлаждения тяговых электродвигателей и других вспомогательных агрегатов. В зимнее время доля времени на холостом ходу значительно возрастает из-за необходимости поддержания требуемого уровня температуры воды и масла в системе дизеля. Работа дизеля на холостом ходу происходит обычно в его низкотемпературном состоянии, что значительно затрудняет протекание рабочего процесса из-за чрезмерного возрастания коэффициента избытка воздуха в цилиндрах. Это приводит к снижению температуры рабочей смеси и, как следствие, к увеличению периода задержки воспламенения.
Работа топливной аппаратуры дизеля на холостом ходу характеризуется нерегулируемым впрыском топлива (пропуск подачи), неравномерным подъемом иглы форсунки, нестабильностью остаточного давления топлива в нагнетательном трубопроводе. Это вызывает изменение угла опережения впрыска топлива в цилиндры и уменьшение полноты сгорания топлива, что способствует разжижению моторного масла и, как следствие, повышает износ узлов трения дизеля. В результате снижения надежности и ресурса работоспособности дизеля ухудшается его топливная экономичность.
В условиях широкого диапазона изменения нагрузок при работе тепловозного дизеля наиболее объективным является показатель величины средней мощности дизеля Лгср за определенный период его работы (например, за поездку). Этот показатель аккумулирует в себе все возможные реализации развиваемой мощности с учетом доли времени от общей продолжительности работы.
Для сравнения двигателей различных тепловозов более удобен для оценки степени загрузки коэффициент использования мощности
N
»м =
ср
N
(1)
где Лгср - средняя мощность дизель-генераторной установки, кВт; #ном - номинальная мощность дизель-генераторной установки, кВт.
В таблице 3 приведены данные по дизелю 10Д100, характеризующие зависимость показателей повреждаемости от коэффициента использования мощности и среднего квадратиче-ского отклонения мощности
' (2)
Ум =
где - среднее квадратическое отклонение мощности. Таблица 3 - Показатели режимов и параметр потока отказов
Депо »м Ум Количество неплановых ремонтов в год, приходящихся на один дизель 10Д100
А 0,426 0,43 4,95
Б 0,380 0,64 4,46
В 0,360 0,28 3,50
Данные таблицы 4 иллюстрируют тенденцию понижения надежности (рост параметра потока отказов) при увеличении степени загрузки дизеля и коэффициента вариации, характеризующего широту диапазона изменения мощности (изменчивость режима работы).
Кроме рассмотренных (объективных) условий, влияющих на надежность тепловозов, имеются и другие, которые характеризуются организацией их использования и технического содержания и поэтому могут быть отнесены не к физико-техническим и погодно-климатическим, а к организационно-техническим факторам. Основными из них являются совершенство системы технического обслуживания и ремонта тепловозов, строгое выполнение ее требований и организация обслуживания тепловозов локомотивными бригадами.
Основная задача системы технического обслуживания и ремонта тепловозов - поддерживать в заданных пределах наработки (срока службы) нормативные значения показателей надежности, установленные техническими условиями на тепловоз. Нарушение положений этой системы повышает вероятность отказов. Снижение надежности тепловозов может быть вызвано и необоснованностью установленных для данных условий эксплуатации и режимов норм межремонтных пробегов или их несоблюдением (перепробеги). К таким же последствиям приводит необоснованность или невыполнение требований и положений инструкций по перечням обязательных работ по техническому обслуживанию для данных условий эксплуатации и режимов работы, а также правил ремонта по технологии и допускам на предельное состояние по износу деталей.
Наиболее часто отказы тепловозов обусловливаются низким качеством выполнения ТО и ремонтов, особенно ТО-2 и КР, что объясняется в основном неудовлетворительным состоянием ремонтной базы локомотивных депо и локомотиво-ремонтных заводов (ремонтно-технологическое оборудование, технологические карты, средства технической диагностики), неудовлетворительной обеспеченностью депо и заводов качественными запасными частями, недостаточной квалификацией ремонтников и несовершенной организацией их труда.
Существенное влияние на уровень надежности тепловозов, оказывают квалификация локомотивных бригад, способ обслуживания локомотивов (прикрепленная или обезличенная езда), выполнение локомотивными бригадами требований ТО-1 и другие особенности, связанные с человеческими фактором.
В таблице 4 приведено распределение отказов тепловозов (%) по причинам их возникновения. Опыт эксплуатации тепловозов на железных дорогах страны показывает, что для 90 % порч в пути следования и до 70 % неплановых ремонтов обусловлены организационно-техническими факторами. При этом почти все отказы происходят по вине обслуживающего персонала (ремонтников и локомотивных бригад).
Таблица 4 - Причина порч и неплановых ремонтов
Причина отказа Порчи, % (по годам) Неплановые ремонты, % (по годам)
2011 2012 2013 2011 2012 2013
Некачественный ремонт в условиях локомотивных депо 64,2 61,7 60,4 50,3 49,6 48,9
Неудовлетворительная
эксплуатация и обслуживание 25,8 19,1 18,7 20,1 16,2 14,2
со стороны локомотивных бригад
Некачественный ремонт
на ремонтных заводах, конструктивные 10,0 19,2 20,9 29,6 34,2 36,9
недостатки
Рассмотренные отказы, влияющие на надежность тепловозов на различных этапах жизненного цикла, можно классифицировать с позиции вызывающих их причин. Это помогает уяснить, на какой стадии создания или эксплуатации тепловоза и его комплектующих элементов следует проводить требуемые мероприятия по устранению причин отказов, что необходимо для эффективного управления надежностью. В соответствии с этим отказы классифицируются следующим образом:
конструкционный - отказ, возникший в результате несовершенства или нарушения установленных правил и (или) норм конструирования объекта;
эксплуатационный - отказ, возникший в результате нарушения установленных правил и (или) норм условий эксплуатации объекта;
производственный - отказ объекта, возникший в результате нарушения установленных правил или установленного процесса изготовления на заводе-изготовителе;
ремонтный - отказ, возникший в результате нарушения установленных правил ремонта объекта или некачественного выполнения его в локомотивном депо либо специализированном ремонтном предприятии;
изготовительский - отказ, возникший по вине поставщика и включающий в себя конструкционные и производственные отказы;
потребительский - отказ, возникший по вине потребителя и включающий в себя эксплуатационные и ремонтные отказы.
Таким образом, проведенный качественный анализ факторов, влияющих на уровень надежности тепловозов на всех стадиях жизненного цикла (проектирование, создание, эксплуатация и т. д.), дает возможность количественно моделировать процессы ее изменения, что является основой для успешного решения задач повышения их надежности. Только комплексный подход к оптимизации процессов создания, использования и ремонтного обслуживания тепловозов как единого жизненного цикла даст возможность решить проблему повышения эффективности тепловозной тяги в соответствии с современными требованиями ОАО «РЖД».
Список литературы
1. Четвергов, В. А. Надежность локомотивов: Учебник для вузов [Текст] / В. А. Четвергов, А. Д. Пузанков. - М.: Маршрут, 2003. - 415 с.
2. Данковцев, В. Т. Техническое обслуживание и ремонт локомотивов: Учебник [Текст] / В. Т. Данковцев, В. И. Киселев, В. А. Четвергов / УМЦ ЖДТ. - М., 2007. - 557 с.
3. Вознюк, В. Н. Надежность тепловозов [Текст] / В. Н. Вознюк, И. Ф. Пушкарев, Т. В. Ставров. - М.: Транспорт, 1991 - 159 с.
References
1. Chetvergov V. A., Puzankov A. D. Nadezhnost' lokomotivov (Reliability locomotives). Moscow: Marshrut Publ., 2003, 415 p.
2. Dankovtsev V. T., Kiselev V. I., Chetvergov V. A. Tekhnicheskoe obsluzhivanie i remont lokomotivov (Maintenance and repair of locomotives). Moscow, 2007, 557 p.
3. Vozniuk V. N., Pushkarev I. F., Stavrov T. V. Nadezhnost' teplovozov (Reliability diesel locomotives). Moscow: Transport Publ., 1991, 159 p.
УДК 621.311.001.57
О. В. Гателюк, А. А. Комяков, В. В. Эрбес
АПРОБАЦИЯ АЛГОРИТМА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ УСТРОЙСТВ И ТЕХНОЛОГИЙ В СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
В данной статье рассматривается алгоритм, позволяющий оценить эффективность внедрения энергосберегающих устройств и технологий в системах тягового и нетягового электроснабжения. С помощью методов математической статистики произведена оценка эффективности внедрения энергосберегающего устройства в системе тягового электроснабжения. В соответствии с алгоритмом представлены результаты расчетов.
Железнодорожный транспорт является одним из крупнейших потребителей электрической энергии в России, расходуя около 5 % электроэнергии от всего потребления страны. Энергетическая эффективность компании в современных условиях является важнейшим фактором повышения конкурентоспособности на рынке транспортных услуг. Именно поэтому ОАО «РЖД» ежегодно внедряет энергосберегающие устройства и технологии, при этом одной из главных задач остается объективная оценка их энергетической эффективности. Для решения этой задачи разработан алгоритм оценки энергетической эффективности внедрения устройств и технологий с учетом влияния производственных и климатических факторов на процесс электропотребления.
Обследование объектов железнодорожного транспорта показало, что в большинстве случаев на процесс электропотребления влияют два фактора и более [1]. Разработанный ранее алгоритм оценки эффективности энергосберегающих устройств и технологий в сетях электроснабжения железных дорог [2] был основан на методах, которые производили отбор одного фактора из всего перечня и сравнивали расход электрической энергии до и после внедрения с учетом одного из факторов, имеющего наибольшее влияние на процесс электропотребления. Предлагаемый авторами алгоритм (рисунок) учитывает все недостатки предыдущего и содержит новые наиболее эффективные методы математической статистики. По предложенному алгоритму была произведена оценка внедрения энергосберегающего устройства на одном из участков железной дороги, по которому фиксировались расход электрической энергии, масса и количество осей пройденного состава в четном и нечетном направлениях, температура воздуха. Так как авторы оценивают энергосберегающие устройства в системе тягового электроснабжения, то в качестве зависимой переменной рассчитан удельный расход электрической энергии. Расчеты выполнены с помощью двух программ Microsoft Excel и Statistica. Алгоритм включает в себя пять этапов.
1. Расчет требуемого количества наблюдений.
Количество наблюдений, необходимых для адекватной оценки внедрения энергосберегающих устройства и технологии, зависит от дисперсии расхода электрической энергии.
