Эксплуатационная надежность модернизированных тепловозов в условиях холодного климата Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Оригинальная статья / Original article УДК: 629.424.1

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-9-168-174

ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ МОДЕРНИЗИРОВАННЫХ ТЕПЛОВОЗОВ В УСЛОВИЯХ ХОЛОДНОГО КЛИМАТА

© А.И. Левин1, И.И. Буслаева2, Г.Ю. Зудов3

Якутский научный центр СО РАН, 677980, Россия, г. Якутск, ул. Петровского, 2.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Оценка эксплуатационной надежности модернизированных тепловозов в условиях холодного климата. МЕТОДЫ. Для обработки информации базы данных по работоспособности тепловозов использовались методы математической статистики. РЕЗУЛЬТАТЫ. Проведен анализ показателей надежности модернизированных локомотивов серии 2ТЭ10МП, эксплуатируемых в условиях низких климатических температур. Установлено, что среднее количество отказов на один тепловоз с каждым годом уменьшается. Общее количество отказов локомотивов увеличивается в зимние месяцы. Определены системы локомотива, лимитирующие его надежность. Для этих систем установлены законы распределения наработки на отказ. Выполнена оценка их средней наработки на отказ. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Наработки на отказ систем, лимитирующих надежность локомотивов, имеют экспоненциальное распределение и распределение Вейбулла, характерные для внезапных отказов. Наибольшую вероятность безотказной работы в условиях низких климатических температур имеют система «ДВС и тяговый генератор» и «Системы воздухоснабжения и вентиляции», а наименьшей вероятностью обладают системы «Ко-лесно-моторный блок» и «Топливная система».

Ключевые слова: надежность, локомотив, отказ, наработка на отказ, низкие климатические температуры.

Формат цитирования: Левин А.И., Буслаева И.И., Зудов Г.Ю. Эксплуатационная надежность модернизированных тепловозов в условиях холодного климата // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 9. С. 168-174. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-9-168-174

OPERATION RELIABILITY OF MODERNIZED LOCOMOTIVES IN COLD CLIMATES A.I. Levin, I. I. Buslaeva, G. Y. Zudov

Yakut Scientific Center SB RAS, 2 Petrovskiy St, Yakutsk, 677980, Russia.

ABSTRACT. THE PURPOSE of this article is evaluation of the operation reliability of modernized locomotives under conditions of cold climates. THE METHODS of mathematical statistics have been used to process database information on locomotive working capacity. RESULTS. The analysis of reliability indicators of modernized locomotives of 2TE10MP series operated at low climatic temperatures has been conducted. It is determined that the average number of failures per one locomotive declines from year to year. The total number of locomotive failures increases in winter months. The systems that limit locomotive reliability have been identified. The laws of operating time between failures distribution have been determined for these systems. Their mean time between failures has been estimated. CONCLUSION. Operating times between system failures limiting locomotive reliability have an exponential distribution and the Weibull distribution characteristic of sudden failures. At low climatic temperatures the system "Internal combustion engine and traction generator" and "Air conditioning and ventilation systems" are the most reliable, whereas the "Wheel-motor unit" system and "Fuel system" are the least reliable.

Keywords: reliability, locomotive, failure, operating time between failures, low climatic temperatures

1

Левин Алексей Иванович, доктор технических наук, заведующий сектором отдела ритмологии и эргономики северной техники, e-mail: a.i.levin@prez.ysn.ru

Levin Aleksey, Doctor of technical sciences, Head of the Sector of the North Machinery Rhythmology and Ergonomics Department, e-mail: a.i.levin@prez.ysn.ru

2Буслаева Ирина Ивановна, кандидат технических наук, доцент, и. о. заведующего отделом ритмологии и эргономики северной техники, e-mail: buslajeva@mail.ru

Buslaeva Irina, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Acting Head of the North Machinery Rhythmology and Ergonomics Department, e-mail: buslajeva@mail.ru

3Зудов Геннадий Юрьевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела ритмологии и эргономики северной техники, e-mail: zudov@prez.ysn.ru

Zudov Gennadiy, Candidate of technical sciences, Senior Researcher of the North Machinery Rhythmology and Ergonomics Department, e-mail: zudov@prez.ysn.ru

For citation: Levin A.I., Buslaeva I.I., Zudov G.Y. Operation reliability of modernized locomotives in cold climates. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 20, no. 9, pp. 168-174. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-35202016-9-168-174

Введение

Il L1J11 1 Транспорт

LhÉÉÉriJ Transport

С развитием железнодорожного транспорта в Республике Саха (Якутия) связаны перспективы ее экономического и социального развития. Включение значительной части территории республики в зону круглогодичной транспортной доступности обеспечит снижение затрат на организацию северного завоза, освоение месторождений полезных ископаемых и развитие промышленного производства. Стратегия развития грузовых перевозок в Якутии предусматривает к 2020 году рост годовых объемов перевозок до 14,4 млн т и увеличение грузооборота до 3000-3500 млн ткм. Для эффективного планирования развития железнодорожного транспорта в Якутии необходимо учесть опыт эксплуата-

ции тягового подвижного состава в условиях низких климатических температур.

В 2007 г. для обеспечения возрастающих потребностей в локомотивной тяге и повышения надежности эксплуатации тепловозов в ОАО АК «Железные дороги Якутии» было принято решение о модернизации парка тепловозов [1, 2]. Сейчас в приписном парке локомотивного хозяйства ОАО АК «Железные дороги Якутии» находятся магистральные тепловозы серии 2ТЭ10МП, модернизированные по технологии «General Electric» с учетом влияния низких климатических температур. В табл. 1 приведен список модернизированных локомотивов депо Алдан и указаны годы ввода их в эксплуатацию.

Год ввода в эксплуатацию / Year of putting into operation Номера модернизированных тепловозов / Numbers of modernized locomotives

2008 0353; 0884; 0956 А; 0956 Б; 2839 А; 2839 Б

2009 0278 А; 0278 Б; 3169 А; 3169 Б

2010 2837 А; 2837 Б

2011 2060 А; 2060 Б; 2063 А; 2063 Б; 2838 А; 2838 Б

2012 2235 А; 2235 Б

Таблица 1

Список модернизированных локомотивов серии 2ТЭ 10 МП локомотивного депо Алдан

Table 1

List of modernized locomotives of 2TE10 MP series of Aldan locomotive facility

Эксплуатационная надежность модернизированных тепловозов

Для оценки эксплуатационной надежности модернизированных тепловозов 2ТЭ10МП депо Алдан статистическая информация об их работоспособности за период с 2008 по 2014 гг. систематизирована в виде базы данных. Обработка и анализ информации этой базы данных позволяют провести исследование показателей надежности модернизированных локомотивов, эксплуатируемых в условиях низких климатических температур, и выявить си-

стемы и узлы, лимитирующие надежность локомотивов.

За рассматриваемый период зафиксировано 172 отказа модернизированных тепловозов. На рис. 1 представлена гистограмма распределения отказов тепловозов по годам.

Из рис. 1 видно, что наблюдается рост числа отказов локомотивов с 15 в 2008 г. до 41 в 2011 г., с последующим снижением до 20 в 2013 и 2014 гг. Так как

Транспорт

■ if WW Transport

модернизированные тепловозы вводились в эксплуатацию постепенно - с 2008 по 2012 гг., то общее число отказов тепловозов не совсем корректно отражает динамику изменения работоспособности локомотивов. Поэтому подсчитано среднее число отказов на один эксплуатируемый тепловоз. На рис. 2 представлена гистограмма распределения среднего числа отказов по годам.

Среднее число отказов локомотивов с каждым годом имеет тенденцию к сниже-

нию: с 2,5 в 2008 и 2009 гг. до 1 отказа в 2013 и 2014 гг.

Для оценки природно-климатических факторов отказы всех модернизированных тепловозов распределены по месяцам. Представленная на рис. 3 гистограмма этого распределения за период эксплуатации с 2008 по 2014 гг. показывает, что в холодные месяцы года количество отказов увеличивается, за исключением ноября (зафиксировано только шесть отказов).

шш

Рис. 1. Распределение частоты отказов модернизированных тепловозов ТЭ10МП по годам Fig. 1. Yearly failure rate distribution of modernized locomotives of 2TE10 MP series

i Hlliii

Puc. 2. Распределение среднего числа отказов локомотивов по годам Fig. 2. Yearly distribution of average number of locomotive failures

гшш Транспорт

■ if WW Transport

Рис. 3. Распределение частоты отказов локомотивов по месяцам

за период с 2008 по 2014 гг. Fig. 3. Monthly distribution of locomotive failure rate from 2008 to 2014

Подобный анализ распределения отказов по месяцам проведен и для отдельных систем тепловозов, что позволило оценить влияние природно-климатических факторов, и в первую очередь температуры, на надежность этих систем.

Для оценки работоспособности модернизированных тепловозов 2ТЭ10МП все отказы были распределены по основным системам тепловоза согласно [3], результаты представлены на рис. 4.

Системы / Syitemt

Рис. 4. Отказы основных систем модернизированных тепловозов: 1 - Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и тяговый генератор; 2 - Колесно-моторный блок; 3 - Система управления и обеспечения безопасности движения; 4 - Топливная система; 5 - Масляная и водяная системы; 6 - Системы воздухоснабжения и вентиляции; 7 - Экипажная часть; 8 - Электроника Fig. 4. Failures of main systems of modernized locomotives: 1 - Internal combustion engine (ICE) and traction generator; 2 - Wheel-motor unit; 3 - Control and traffic safety system; 4 - Fuel system; 5 - Oil and water systems; 6 - Systems of air conditioning and ventilation; 7 - Locomotive underframe;

8 - Electronics

По гистограмме отказов определены основные системы, которые лимитируют надежность модернизированных тепловозов:

- «Колесно-моторный блок»;

- «Электроника»;

- «Топливная система»;

- «ДВС и тяговый генератор»;

- «Масляная и водяная системы»;

- «Системы воздухоснабжения и вентиляции».

Для выявленных систем в программе Statistica 10 выполнен расчет законов распределения наработки на отказ. Наработки на отказ большинства систем тепловоза имеют экспоненциальный закон распределения, а «Системы воздухоснабже-ния и вентиляции» - закон Вейбулла. Эти законы распределения характерны для внезапных, трудно прогнозируемых отказов. На рис. 5 представлено распределение наработки на отказ системы «Колесно-моторный блок», являющейся наименее надежной системой модернизированного тепловоза.

Распределение наработки на отказ служит базой для расчета норм расхода запасных частей, а также является основным источником для оценки основных параметров надежности, таких как средняя наработка на отказ и вероятность безотказной работы. В табл. 2 представлены средние наработки на отказ систем, лимитирующих надежность тягового подвижного состава депо Алдан. Средняя наработка на отказ этих систем изменяется в широких пределах - от 93 до 246 тыс. км. Кроме того, для отдельных систем наблюдается большой разброс наработок. Так, например, для элементов системы «Колесно-моторный блок» более половины всех отказов произошли при пробегах в пределах 50 тыс. км, а минимальный пробег составил всего 269 км. При этом в некоторых случаях наработка колесно-моторных блоков на отказ превысила 300 тыс. км. Таким образом, высокие средние наработки на отказ не гарантируют безотказную работу систем тепловозов даже при их малых пробегах.

Рис. 5. Распределение наработки на отказ системы «Колесно-моторный блок» Fig. 5. Distribution of operating time between failures of the "Wheel-motor unit" system

Таблица 2

Средняя наработка на отказ систем модернизированных тепловозов

Table 2

Mean operating time between failures of modernized locomotive systems_

Система / System Средняя наработка на отказ, тыс. км / Mean operating time between failures, thousands km

ДВС и тяговый генератор / ICE and traction generator 246,10

Масляная и водяная системы / Oil and water systems 178,40

Системы воздухоснабжения и вентиляции / Systems of air conditioning and ventilation 169,81

Электроника / Electronics 128,38

Колесно-моторный блок/ Wheel-motor unit 93,96

Топливная система / Fuel system 93,75

Одним из показателей надежности является вероятность безотказной работы, которая показывает возможность того, что в пределах заданной наработки при определенных условиях эксплуатации отказ не возникает [4]. Наибольшую вероятность безотказной работы в условиях низких климатических температур имеют система «ДВС и тяговый генератор» и «Системы воздухоснабжения и вентиляции», а наименьшей вероятностью обладают «Топливная система» и «Колесно-моторный блок».

Анализ влияния температуры наружного воздуха на работоспособность систем модернизированных тепловозов показал, что низкие климатические температуры влияют на различные системы в разной степени. Наиболее чувствительны к низким температурам подсистема «Тяговый электродвигатель колесно-моторного блока» и «Масляная и водяная системы». При понижении температуры ниже -30°С число их отказов резко повышается.

Исследование данных о ремонтах тягового подвижного состава депо Алдан показало, что степень влияния температуры на количество ремонтов отличается для

отдельных систем тепловоза. На узлах и деталях большинства систем, лимитирующих надежность, с понижением температуры количество ремонтных работ увеличивается. А для отдельных систем и подсистем локомотива (система управления, кабели, автосцепка, вспомогательное оборудование и некоторые другие) количество ремонтных работ остается равномерным в течение года и мало зависит от температуры. В целом можно отметить, что наблюдаемое уменьшение числа отказов тепловозов свидетельствует о повышении качества ремонта локомотивов депо Алдан. Но ввиду старения локомотивного парка потребность в ремонтах должна возрасти, что потребует увеличения расходов на ремонт тягового подвижного состава в сторонних организациях. Поэтому целесообразно проведение дополнительных исследований на предмет экономической эффективности расширения объема ремонтных работ на собственной базе депо Алдан. Для этого следует наладить более рациональную систему сбора и систематизации информации об отказах, ремонтах и движении запасных частей локомотивов на предприятии.

Il L1J11 1 Транспорт

LhÉÉÉriJ Transport

Заключение

Проведенный анализ надежности модернизированных локомотивов серии 2ТЭ10МП показал, что наработки на отказ систем, лимитирующих надежность локомотивов в условиях низких климатических температур, имеют экспоненциальное распределение и распределение Вейбулла,

характерные для внезапных отказов. Также установлено, что в таких условиях системы «ДВС и тяговый генератор» и «Системы воздухоснабжения и вентиляции» имеют наибольшую вероятность безотказной работы, а системы «Колесно-моторный блок» и «Топливная система» - наименьшую.

Библиографический список

1. Ташпулатов Ш.И. Задачи модернизации тепловозов ОАО «АК «ЖДЯ» // Современные технологии модернизации тягового подвижного состава для предприятий железнодорожного транспорта и частных операторов: материалы II Междунар. науч.-техн. конф. (г. Киров, 2010 г.). М.: PRINT XL, 2011. С. 53-54.

2. Шимохин В.В. Основные направления модерни-

зации локомотивного парка ОАО АК «Железные дороги Якутии» // Модернизация тепловозов. Пути решения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Якутск, 2007. С. 8-14.

3. Вознюк В.Н., Пушкарев И.Ф., Ставров Т.В. Надежность тепловозов. М.: Транспорт, 1991. 159 с.

4. Моисеев Г.А. Секционная мощность тепловозов и проблемы надежности. М.: Транспорт, 1978. 112 с.

References

plovozov Railways" JSC locomotive fleet]. Materialy Mezhdu-

Yakutian narodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii "Moderni-

1. Tashpulatov Sh.I. Zadachi modernizatsii te| OAO "AK «ZhDYa" [Modernization issues of "' Railways" JSC locomotives]. Materialy II Mezhdunarod-noi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii "Sovremennye tekhnologii modernizatsii tyagovogo podvizhnogo sostava dlya predpriyatii zheleznodorozhnogo transporta i chastnykh operatorov" [Materials of II International Scientific and Technical Conference "Modern technologies of traction electrical equipment modernization for the enterprises of railway transport and private operators:]. Moscow, PRINT XL Publ., 2011, pp. 53-54.

2. Shimokhin V.V. Osnovnye napravleniya modernizatsii lokomotivnogo parka OAO AK "Zheleznye dorogi Yakutii" [Main modernization directions of "Yakutian

zatsiya teplovozov. Puti resheniya" [Materials of International Scientific and Technical Conference "Locomotive modernization. Ways to solve the problem"]. Yakutsk, 2007, pp. 8-14.

3. Voznyuk V.N., Pushkarev I.F., Stavrov T.V. Nadezh-nost' teplovozov [Locomotive reliability]. Moscow, Transport Publ., 1991. 159 p.

4. Moiseev G.A. Sektsionnaya moshchnost' teplovozov i problemy nadezhnosti [Sectional diesel locomotive power and reliability issues]. Moscow, Transport Publ., 1978. 112 p.

Критерии авторства

Левин А.И. проанализировал данные, написал рукопись и несет ответственность за плагиат. Буслаева И.И. собрала материалы и редактировала рукопись. Зудов Г.Ю. собрал материалы.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила 10.06.2016 г.

Authorship criteria

Levin A.I. analyzed the data, wrote the manuscript and bears the responsibility for plagiarism. Buslaeva I.I. collected the materials and edited the manuscript. Zudov G.Y. collected the materials.

Conflict of interest

The authors declare that there is no conflict of interest regarding the publication of this article.

The article was received on 10 June 2016