Назначение технически обоснованных гарантийных сроков эксплуатации локомотивов на стадии проектирования их жизненного цикла Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.4

Е. Е. Белова

НАЗНАЧЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИ ОБОСНОВАННЫХ ГАРАНТИЙНЫХ СРОКОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛОКОМОТИВОВ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА

Дата поступления: 14.01.2016 Решение о публикации: 18.01.2016

Цель: Разработать оценку технически обоснованного гарантийного срока эксплуатации локомотивов для формулировки гарантийных обязательств в технических условиях (ТУ) на стадии проектирования жизненного цикла локомотивов. Методы: Задача технически обоснованной оценки гарантийного срока решена расчетно-аналитическим способом через вероятность q выявления за гарантийный пробег (наработку) т дефектного (негодного) локомотива или всех скрытых дефектов годного локомотива. Результаты: Для оценки практической пригодности и достоверности полученных аналитических выражений по значениям показателей безотказности, заимствованным из ТУ на магистральные тепловозы ТЭП70БС, 2ТЭ116У и маневровый тепловоз ТЭМ18ДМ, рассчитаны зависимости т от q. Эти зависимости позволили установить различие в реализуемых вероятностях обнаружения скрытого дефекта магистральных и маневрового тепловозов в течение их гарантийного пробега (наработки). Исследованы возможные причины установленного различия: завышение требования по безотказности для маневрового тепловоза; занижение продолжительности его гарантийной наработки. Расчетом установлено, что при уровне безотказности, назначенном в ТУ на маневровый тепловоз ТЭМ18ДМ, установленный там же гарантийный срок не может с вероятностью 80 % гарантировать заказчику (потребителю) выявление за назначенный гарантийный срок эксплуатации дефектных локомотивов. При этом гарантийный пробег магистральных тепловозов ТЭП70БС и 2ТЭ116У, установленный в ТУ, не противоречит нормативным показателям безотказности и полностью реализуют права заказчика (потребителя) в части выявления (с вероятностью более 80 %) за гарантийный срок эксплуатации дефектных локомотивов. Практическая значимость: Применение аналитических выражений для оценки технически обоснованного гарантийного срока эксплуатации локомотивов совместно с общей формулировкой гарантийных обязательств, позволяют соблюсти права заказчика (потребителя) при внесении этих обязательств в ТУ на локомотивы.

Гарантийный срок эксплуатации, гарантийный пробег (наработка), безотказность, жизненный цикл, стадия проектирования, магистральный тепловоз, маневровый тепловоз.

Yelena Ye. Belova, laboratory head, [email protected] (Research and Development Technological Rolling Stock Institute JSC) SETTING TECHNICALLY JUSTIFIED GUARANTEED SERVICE LIFE OF LOCOMOTIVES AT LIFE CYCLE DESIGNING STAGE

29

Objective: To develop estimation of technically justified guaranteed service life of locomotives to formulate guarantee commitments in technical specifications at locomotive life cycle designing stage. Methods: The problem of technically justified evaluation of guaranteed service life was solved by calculation and analysis method through the q probability of detection in the duration of a guarantee run (life) of a defective (non-operative) locomotive or all hidden defects of an operative locomotive. Results: For evaluation of practical applicability and certainty of the resultant analytical expressions on reliability factor values borrowed from technical specifications for TEP70BS and 2TE116U mainline locomotives and for TEM18DM shunting diesel locomotive, dependencies on the q factor were calculated. These dependencies allowed establishing a discrepancy in realised probabilities of detection of hidden defects of mainline or shunting locomotives in the duration of their guarantee life (run). Possible reasons of the discrepancy discovered were studied, namely overestimation of reliability requirements for a shunting locomotive; underestimation of its guarantee run. Calculation indicated that at the reliability rate specified in technical specifications for TEM18DM shunting diesel locomotive, the guaranteed service life specified in the technical specifications will not guarantee the ordering customer (customer), with the probability rate of 80 per cent, that defective locomotives would be detected in the duration of set guaranteed service life. Meanwhile, guarantee run of TEP70BS and 2TE116U mainline locomotives, set in their technical specifications, does not contradict reliability value guidelines and fully realises the rights of ordering customer (customer) in detecting defective locomotives in the duration of guaranteed service life with probability of over 80 per cent. Practical importance: Application of analytical expressions for evaluation of technically justified guaranteed service life of locomotive jointly with general formulation of guarantee commitments allows honouring the rights of an ordering customer (customer) in setting these commitments into locomotive technical specifications.

Guaranteed service life, guarantee life (run), reliability, life cycle, designing stage, mainline locomotive, shunting diesel locomotive.

Введение в действие Технического регламента Таможенного союза «О безопасности железнодорожного подвижного состава» ТР ТС 001/2011 обязало производителей локомотивной техники подтверждать назначенные показатели надежности на разных стадиях жизненного цикла локомотива. Так, перспективные значения показателей надежности локомотивов устанавливают на стадии определения требований к ним. На стадии проектирования жизненного цикла локомотивов показатели надежности уточняют расчетноаналитическим методами и при соответствии полученных значений ранее установленным перспективным значениям расчетные значения заносят в Технические условия (ТУ) на локомотивы. Далее указанные показатели реализуют и подтверждают на стадии эксплуатации локомотивов на основе эксплуатационной информации с применением известных методов математической статистики.

Учитывая, что основная цель гарантийного срока эксплуатации состоит в защите потребителя как от возможных срытых дефектов оборудования локомотива, так и от приобретения дефектного (негодного) локомотива в целом, можно предположить, что технически обоснованная длительность гарантийного срока эксплуатации напрямую зависит от показателей надеж-

30

ности локомотива. Отмеченное обусловливает необходимость устанавливать, уточнять, назначать, реализовывать и подтверждать гарантийный срок эксплуатации локомотивов совместно с его показателями надежности на соответствующих стадиях жизненного цикла.

Постановка задачи

Гарантийный срок (ГС) G эксплуатации локомотива - это календарная продолжительность выполнения гарантийных обязательств изготовителя. Выражение для определения ГС эксплуатации локомотивов имеет вид

G =1 ■ t, (1)

к

где т - гарантийный пробег (наработка) локомотива; к - коэффициент, учитывающий модель эксплуатации локомотива (для магистральных локомотивов определяется на основе показателя использования, для маневровых локомотивов - показателя готовности).

Гарантийные сроки эксплуатации магистральных тепловозов ТЭП70БС, 2ТЭ116У и маневрового тепловоза ТЭМ18ДМ, назначенные в [2-4], рассчитанный по (1) соответствующий им гарантийный пробег (наработка) т приведены в табл. 1.

В табл. 1 значения к магистральных тепловозов - это показатель их использования в виде среднегодового пробега. Он рассчитан по значениям назначенного срока службы и периодичности капитального ремонта этих тепловозов из [2-4] с учетом календарной периодичности капитального ремонта в середине назначенного срока службы локомотива. Коэффициент к маневрового тепловоза - это коэффициент технической готовности, значение которого установлено в [3].

Технически обоснованный гарантийный пробег (наработка) т локомотива - это его линейный пробег (наработка), предназначенный для выявления в надлежащем порядке дефектного (негодного) локомотива или всех скрытых дефектов годного локомотива. Таким образом, технически обоснованный

ТАБЛИЦА 1. Назначенные гарантийные сроки эксплуатации тепловозов ТЭП70БС, 2ТЭ116У и ТЭМ18ДМ

Показатель ТЭП70БС 2ТЭ116У ТЭМ18ДМ

G, год 2 2 2,5

к 0,100 млн км/год 0,083 млн км/год 0,95

т 0,200 млн км 0,166 млн км 20,805 тыс. ч

31

гарантийный срок G должен в надлежащем порядке с доверительной вероятность у обеспечивать заказчику (потребителю) выявление локомотива ненадлежащего качества, в нашем случае - локомотива, обладающего безотказностью хуже заявленной в ТУ (количество его скрытых дефектов больше заявленного). Доверительная вероятность у = 1 - в, где в - риск заказчика или ошибка второго рода (вероятность того, что годный локомотив за гарантийный срок эксплуатации будет иметь показатель безотказности ю хуже нормативного значения ю0).

Решение задачи

Решим задачу определения технически обоснованного гарантийного пробега (наработки) т через вероятность q выявления за этот пробег (наработку) дефектного (негодного) локомотива или всех скрытых дефектов годного локомотива. В общем виде эта вероятность может быть определена из выражения

т

1 - q = e 0 . (2)

Учитывая, что гарантийный срок эксплуатации полностью включает в себя период приработки локомотивов (параметр потока отказов довольно быстро убывает) и начало их периода нормальной эксплуатации (параметр потока отказов практически постоянен) выражение (2) примет вид

1 - q = A • e _Юо(т-Тпп),

тпп

| ю(т)dт

где A = e 0 - вероятность безотказной работы локомотивов за период

приработки; тпп - пробег (наработка) локомотивов за период приработки.

Логарифмировав обе части выражения (3) и выполнив необходимые преобразования, получим выражение для определения технически обоснованного гарантийного пробега (наработки) локомотива на стадии проектирования

т = т

пп

1A

+--ln-

Юл

1 - q

(2)

Как правило, на этапе проектирования жизненного цикла локомотивов при расчете их показателей надежности из-за отсутствия достаточных сведе-

32

ний используется экспоненциальная (идеальная) модель отказов локомотива (тпп = 0, А = 1). В этом случае выражение (4) приобретает вид, аналогичный формуле для определения технически обоснованного значения гарантийного пробега (наработки) изделия из [5]:

т = -— -ln(1 -q). (3)

ю0

Практическая апробация и результаты

По значениям показателей безотказности, заимствованных из [2-4], по (5) рассчитаны зависимости т от q (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость гарантийного пробега тепловозов ТЭП70БС, 2ТЭ116У и гарантийной наработки тепловоза ТЭМ18ДМ от вероятности выявления

скрытого дефекта

Из рис. 1 следует, что вероятность обнаружения скрытого дефекта тепловозов ТЭМ18ДМ приблизительно в 1,5 раза меньше аналогичной вероятности для тепловозов ТЭП70БС и 2ТЭ116У. Различие в вероятностях обнаружения скрытого дефекта магистральных и маневрового тепловозов в течение их гарантийного пробега (наработки) является следствием либо завышения требований к безотказности для маневрового тепловоза, либо занижения про-

33

должительности его гарантийной наработки. Поскольку большого различия в продолжительности гарантийного срока магистральных (2 года) и маневрового (2,5 года) тепловозов нет, можно предположить, что различие обусловлено завышением требований к безотказности для маневрового тепловоза.

Так как маневровому тепловозу необходимо реализовать его гарантийную наработку т, значение которой определено в ТУ, и достичь значения вероятности обнаружения его скрытого дефекта q на уровне магистральных тепловозов (0,865; 0,889), с использованием (5) определены расчетные значения показателя безотказности ю0 маневрового тепловоза ТЭМ18ДМ (табл. 2).

ТАБЛИЦА 2. Расчетные значения показателя безотказности ю0 маневрового тепловоза ТЭМ18 ДМ

Вероятность q Показатель юп, случаев на тыс. ч

0,865 0,0961

0,889 0,1055

Из табл. 2 видно, что расчетные значения ю0 в 2 раза отличаются от показателя, назначенного в ТУ маневрового тепловоза ТЭМ18 ДМ (см. рис. 2). Зависимость т от q, рассчитанная по (5), при расчетных значениях ю0 = 0,0961 и 0,1055 случаев на тыс. ч наработки, изображена пунктиром на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость гарантийной наработки тепловоза ТЭМ18ДМ от вероятности выявления скрытого дефекта при разных значениях параметра потока отказов

34

Если вероятность q можно трактовать как вероятность выявления за гарантийный срок тепловоза ненадлежащего качества, то q = у. Рекомендуемый в нормативной документации уровень доверительной вероятности у = 0,8 [1]. Технически обоснованный гарантийный пробег (наработка) тепловозов ТЭП70БС, 2ТЭ116У и ТЭМ18ДМ, рассчитанный по (5), и соответствующий им гарантийный срок эксплуатации, рассчитанный по (1) с учетом значений к из табл. 1, приведены в табл. 1, 3. Расчетные значения т для q = 0,8 показаны на рис. 3.

ТАБЛИЦА 3. Технически обоснованные гарантийные сроки тепловозов ТЭП70БС, 2ТЭ116У и ТЭМ18ДМ для уровня доверительной вероятности у = 0,8

Показатель Тепловоз

ТЭП70БС 2ТЭ116У ТЭМ18ДМ

W 10!) 111) 0,042) 0,09612) 0,1055 2)

т 0,1613) 0,1463) 40,2244) 16,7524) 15,2644)

G, год 1,6 1,8 4,8 2 1,8

Примечание. 1) случаев на 1 млн км; 2) случаев на тыс. ч; 3) млн км; 4) тыс. ч

Рис. 3. Гарантийный пробег тепловозов ТЭП70БС, 2ТЭ116У и гарантийная наработка тепловоза ТЭМ18 ДМ при вероятности выявления скрытого дефекта 80 %

Гарантийные сроки, установленные на магистральные тепловозы ТЭП70БС и 2ТЭ116У в ТУ (см. табл. 1), больше приведенных в табл. 3, а значит, права заказчика (потребителя) соблюдаются, с вероятностью более 80 % он может быть уверен в выявлении дефекта локомотива за гарантийный срок

35

эксплуатации. .Технически обоснованный гарантийный срок маневрового тепловоза ТЭМ18ДМ для ю0, равный 0,04 случаев на тыс. ч, заимствованный из ТУ, составляет около 4,8 лет (табл. 3), т. е. почти в 2 раза больше аналогичного показателя, установленного в ТУ для магистральных локомотивов. Отмеченное обстоятельство указывает на противоречивость заданных в ТУ нормативного значения показателя безотказности и гарантийного срока эксплуатации. Приведенные в табл. 3 гарантийные сроки для расчетных значений ю0 из табл. 2 составляют от 1,8 до 2 лет, что согласуется с аналогичным показателем для магистральных локомотивов.

Заключение

Все назначенные показатели локомотива, в том числе гарантийные сроки, должны устанавливаться на стадиях определения требований и разработки, обеспечиваться и подтверждаться на стадии производства, реализовываться и подтверждаться на стадии эксплуатации.

Выражение (5) позволяет оценить технически обоснованный гарантийный пробег (наработку) для локомотивов на этапе проектирования их жизненного цикла для его установления в ТУ.

Для соблюдения прав заказчика (потребителя) в части выявления дефекта локомотива за гарантийный срок эксплуатации формулировка назначения гарантийного срока эксплуатации в ТУ на тепловоз должна быть следующей: «Гарантийный срок эксплуатации тепловозов составляет G лет с момента их ввода в эксплуатацию, но не менее т км линейного пробега (суток наработки) этих тепловозов». Значения G и т рассчитываются, соответственно, по (1) и (5).

Гарантийный пробег магистральных тепловозов ТЭП70БС и 2ТЭ116У, установленный в ТУ, не противоречит нормативным показателям безотказности и полностью реализуют права заказчика (потребителя) в части выявления дефекта локомотива за гарантийный срок эксплуатации.

Показатель безотказности, назначенный в ТУ на маневровый тепловоз ТЭМ18ДМ, не согласуется с указанным гарантийным сроком эксплуатации этого тепловоза. Значение последнего не может с вероятностью 80 % гарантировать заказчику (потребителю) выявления дефектных локомотивов. Ситуацию можно разрешить либо снижением требуемого уровня безотказности, либо увеличением гарантийного срока эксплуатации тепловозов.

Библиографический список

1. Методические положения для расчета показателей безотказности и готовности локомотивов по результатам их эксплуатации (введены в действие распоряжением ОАО «РЖД» от 12 ноября 2008 года № 2367 р).

36

2. Тепловоз 2 ТЭ116. Технические условия : ТУ24.04.532-87/ПАО «Лугансктепло-воз». - 147 с.

3. Тепловоз типа ТЭМ18 маневровый мощностью 882 кВт (1200 л. с.). Технические условия : ТУ24.04.549-92 / АО «УК „БМЗ“». - 83 с.

4. Тепловозы пассажирские ТЭП70, ТЭП70 БС, ТЭП70У. Технические условия : ТУ24.04.532-87 / ОАО «КЗ». - 55 с.

5. Эренбург Э. С. Гарантийные сроки и определение их значений / Э. С. Эренбург. -М. : Знание, 1974. - 48 с.

References

1. Metodicheskiye polozheniya dlya rascheta pokazateley bezotkaznosti i gotovnosti lokomotivov po rezultatam ikh ekspluatatsii [Methodical guidelines for calculation of indicators of fail-safety and availability of locomotives by results of their operation]. (Put into effect by Russian Railways JSC order dated November 12, 2008, No. 2367r).

2. Teplovoz 2TE116. Tekhnicheskiye usloviya TU24.24.04.532-87. [2TE116 diesel locomotive. Technical conditions TU24.24.04.532-87]. PAO Luhanskteplovoz. 147 p.

3. Teplovoz tipa TEM18 manevrovy moshchnostyu 882 kW (1,200 hp). Tekhnicheskiye usloviya TU24.04.549-92. [TEM18 type shunting diesel locomotive with capacity of 882 kW (1200 hp]. Technical conditions TU24.04.549-92]. AO UK BMZ. 83 p.

4. Teplovozy passazhirskiye TEP70, TEP70BS, TEP70U. Tekhnicheskiye usloviya TU24.04.532-87. [Passenger diesel locomotives TEP70, TEP70BS, TEP70U. Technical conditions TU24.04.532-87.] OAO KZ. 55 p.

5. Erenburg E. S. Garantiynyye sroki i opredeleniye ikh znacheniy. [Guarantee service lives and establishing their values]. Moscow, Znaniye, 1974. 48 p.

БЕЛОВА Елена Евгеньевна - заведующая лабораторией, [email protected] (ОАО «ВНИКТИ»).

© Белова Е. Е., 2015

37