ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РЕКОНСТРУКЦИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ ПО ДАННЫМ ОБ ОТКАЗАХ ПУТЕВЫХ МАШИН Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТРАНСПОРТ

УДК 625.173

Н. И. Карпущенко, А. С. Пикалов, П. С. Труханов

Оценка надежности технологических процессов реконструкции железнодорожного пути по данным об отказах путевых машин

Поступила 28.09.2018

Рецензирование 19.10.2018 Принята к печати 12.03.2019

В статье представлены методика и алгоритм оценки надежности технологических процессов на основе надежности путевых машин как восстанавливаемых объектов, объединенных в единую технологическую систему. Даны рекомендации по организации диагностики, технического обслуживания и ремонта машин.

Использование комплекса высокопроизводительных машин при реконструкции транспортной инфраструктуры решает важную задачу повышения эффективности транспортного процесса в том случае, если все машины в технологической цепочке окажутся достаточно надежными.

При разработке методики оценки надежности технологических процессов реконструкции пути учитывалось, что рассматриваемая технологическая система (ТС) является многофазной, т. е. ее работа организована так, что продукт последовательно обрабатывается в первом, втором и последующих технологических устройствах (путевых машинах). Вся ТС считается работоспособной, если выходное устройство выдает готовую продукцию. Функция готовности ТС определяется как сумма вероятностей нахождения ее в работоспособном состоянии с учетом нормировочного условия. Коэффициент готовности ТС определяется как композиция готовности всех ее элементов (путевых машин).

Данные об отказах машин, узлов и затраты времени на их ремонт получены на основании сбора и обработки данных эксплуатации большого числа машин, используемых в Западно-Сибирской дирекции по ремонту машин. В качестве источников информации использованы также данные, полученные с помощью Единой корпоративной автоматизированной системы управления инфраструктурой ОАО «РЖД».

Техническое диагностирование путевых машин переживает пока период своего становления. Поэтому ближайшей задачей является широкое внедрение уже созданных методов и средств диагностирования в практику путеремонтных работ.

Ключевые слова: путевые машины, надежность, технологические системы, диагностика, техническое обслуживание и ремонт.

Общие положения

Качественное решение проблемы стратегического планирования строительства и реконструкции транспортных объектов обеспечивает не только выживание организаций в условиях быстро меняющейся внешней среды, но и их эффективное функционирование. Важное место среди инструментариев современного менеджмента занимают методы математического моделирования [1].

За последние годы выполнен ряд исследований, касающихся повышения организационно-технологической надежности транспортных потоков [2, 3], обеспечения надежности объектов инфраструктуры и безопасности движения транспорта [4], управления рисками на пересечении железных и автомобильных дорог [5]. Однако решены еще далеко не все вопросы обеспечения организационно-технологической надежности в строительстве и на транспорте.

Особое значение при реконструкции инфраструктуры приобретает обеспечение надежности путевых машин, работающих в «окно», поскольку выход из строя машины во время «окна» приводит к его срывам или задержкам, что во всех случаях наносит серьезный ущерб эксплуатационной работе [6, 7].

Надежность технологических процессов реконструкции инфраструктуры тесно связана с различными сторонами эксплуатации путевых машин как технических объектов. Главная особенность состоит в том, что приходится учитывать влияние отказов технических объектов на результаты функционирования технологических систем (ТС) в виде цепочки технологически связанных путеремонтных машин.

В монографии [8] Г. В. Дружинин отмечает: «Обычно технологические системы (ТС) являются многофазными, т. е. их работа организована так, что продукт последовательно

обрабатывается в первом, втором и т. д. технологических устройствах (агрегатах). Вся система считается работоспособной, если выходное устройство выдает продукцию. В многофазных системах при отказе любого из агрегатов и отсутствии в системе накопителей все работоспособные агрегаты немедленно останавливаются и простаивают до окончания ремонта неработоспособного агрегата. Надежность таких систем является низкой» [8, с. 318-319].

Оценка надежности восстанавливаемых объектов

Строительные и путевые машины относятся к объектам, для которых большое значение имеет свойство готовности - способности находиться в процессе эксплуатации значительную долю времени в работоспособном и готовом к применению состоянии. Для таких объектов в процессе эксплуатации чередуются случайные периоды времени безотказной работы Тр и времени восстановления Тв. Случайное время между очередными восстановлениями равно:

Т = Т + Тв. (1)

Для оценки надежности объектов этой группы обычно применяют вероятность Г(Ь) застать объект работоспособным (готовым к применению) в момент времени к либо вероятность Р(Ь) того, что объект в момент времени Ь будет неработоспособным (Р(Ь) = 1 - Г(Ь)).

Математическое ожидание случайной величины То равно сумме среднего времени до отказа щ и среднего времени восстановления щ .

С учетом этого получим lim Г(t) =-1

JP(t)dt ■■

mt

m + m.

= kr. (2)

Таким образом, вероятность Г(Ь) при Ь ^ да стремится к установившемуся значению коэффициента готовности кг.

Наибольшее практическое значение имеют случаи, когда время между отказами и восстановлениями содержит показательное распределение:

кт = lim Г(t) = -

mt

Ц

X + ц

(3)

где ц - интенсивность восстановления; X - интенсивность отказов.

Методы оценки надежности технологических систем

Г. В. Дружинин отмечает: «Для оценки надежности технологических процессов применяют метод дифференциальных уравнений. Этот метод основан на допущении использования показательных распределений времени (наработки) между отказами и восстановлением. При этом параметр потока отказов , 1

ю = А = —, а также интенсивность восста-

т,

'р

новления ц = -^ » [8, с. 93].

т.

'в

Чтобы определить показатели надежности, составляют и решают систему дифференциальных уравнений для вероятностей состояний [9].

Функция готовности системы равна:

Г ^) = £ р (t), (4)

3=00

где Р() - вероятность нахождения системы в у-м работоспособном состоянии.

Когда необходимо вычислить коэффициенты готовности или простоя, рассматривают установившийся режим эксплуатации при Ь ^ да. При этом все производные Р''(') равны

нулю и система дифференциальных уравнений переходит в систему алгебраических уравнений:

X Ро -цР = 0;

X2Ро -ц2Р2 = 0;

х „Р -ц„Р„ = о.

Решив полученную систему алгебраических уравнений с учетом нормировочного

п

условия ^р (') = 1, получим коэффициент

3=о

готовности системы:

к, = P = 11+ Ё

3=1 Ц

(6)

Вероятность нахождения в '-м состоянии находится по формуле

X 3

P =—P

1 3 1 0.

3 Ц 3

(7)

Из соотношения кг = ц/ (ц + X) следует

X

«РЖД» [10] основные высокопроизводительные машины (Дуоматик, Унимат, ДСП, УК-25, УК-25СП, ВПР, ВПРС, ЩОМ, МНК) находились в хозяйстве 205 100 машино-дней, из них в работе 133 300 машино-дней (65 % времени), в простое 71 785 машино-дней (35 %) (табл. 1).

Условно отказы (простои) можно подразделить на технические (в ремонте, наладке, техническом обслуживании) и организационные (отмена «окон», отсутствие подготовительных фронтов работ, транспортировка машин, непредоставление локомотивов, простои в выходные и праздничные дни и т. п.).

Из-за упущений в организации эксплуатации машин в 2017 г. не работали 20 412 ма-шино-дней, что составляет 30 % от общего времени нахождения в хозяйстве пути, или 60 % от всего количества дней простоя.

В 2014 г. все обозначенные выше основные путевые машины простояли без работы продолжительное время. В среднем в ДРП одна машина ЩОМ простаивает 106 дней, Дуоматик -96, Унимат - 68, ДСП - 69, УК-25СП - 91, ВПРС - 102, ВПР - 68 дней [11].

Простои, связанные с организацией работы путевой техники, различны для разных типов машин. Для ВПР и ВПРС преобладают простои в выходные и праздничные дни соответственно: 24 % (5 308 дней) и 28 % (370 дней) от всех простоев, что свидетель-

Таблица 1

Простои машин, дни

Тип машины Кол-во в ДРП, ед. Всего нарастающим итогом Отмена «окна» Выходные Транспортировка Отсутствие обслуживающих бригад Пуско-наладочные работы Техническое обслуживание Ремонт плановый Ремонт неплановый Прочие причины Простой на одну машину

ЩОМ 141 13 208 3 020 446 2 118 69 117 980 1 128 917 4 413 93,7

УК-25 160 3 753 721 268 680 15 69 466 348 306 880 62,6

УК-25СП 39 3 638 518 318 1 208 2 10 348 86 158 990 88,7

Дуоматик 96 4 108 728 69 879 4 69 478 385 867 630 54,1

Унимат 68 2 430 303 171 530 3 117 339 269 359 355 50,6

ВПРС 160 13 070 860 4 038 828 470 720 1 338 1 188 1 748 1 880 81,7

ВПР 298 22 769 2 360 5 756 3 008 206 986 2 157 1 898 3 309 3 089 76,4

ДСП 98 5 250 848 188 990 44 70 612 577 526 1 396 67,2

Итого 1 060 68 226 9 358 11 254 10 241 813 2 158 6 718 5 879 8 190 13 633 575

Подставив в (6) выражение для нахождения получим выражение для определения коэффициента надежности технологической системы:

К, =

1 + 1

г± -1

К

V о

(9)

где кг] - коэффициент готовности]-й машины.

Значения кг.с, согласно (6) и (9), соответствуют обычным условиям функционирования производственных объектов: имеется единое техническое обслуживание, при отказе одного из элементов система выключается и во время его восстановления оставшиеся работоспособные элементы не отказывают.

Простои машин и оценка их надежности

Сведения о типичных отказах машин, узлов и затраты времени на их ремонт получены на основании сбора и обработки данных эксплуатации большого числа машин, используемых в Западно-Сибирской дирекции по ремонту машин (ДРМ). В качестве источников информации использованы также данные, полученные с помощью Единой корпоративной автоматизированной системы управления инфраструктурой (ЕКАСУИ) ОАО «РЖД».

Согласно отчетным данным Центральной дирекции по ремонту пути (ЦДРП) ОАО

ствует об отсутствии организации двухсменной работы этих машин. В структуре простоев ЩОМ, Дуоматик, Унимат, ДСП, УК-25СП большое время занимает транспортировка, так как эта техника обслуживает большие участки. Самые продолжительные простои приходятся на транспортировку (от 18 % на ЩОМ до 38 % на УК-25СП), отмену «окон» (от 12 % на Дуо-матик до 25 % на ЩОМ) и прочие причины (от 12 % на Унимате до 22 % на ЩОМ).

Анализ простоев показывает, что в ДРП нет четкой организации ремонта и текущего содержания пути. Более качественное планирование работы путевых машин позволит существенно сократить потери времени на их транспортировку, количество отменяемых «окон» и т. д. Коэффициент готовности путевых машин возрастет с 0,65 до 0,85. Их более эффективное использование позволит выполнить запланированный объем работ меньшим количеством техники.

Используя данные ЦДРП ОАО «РЖД», приведенные в табл. 2, определим коэффициенты готовности путевых машин по формуле (9) на основе общих простоев машин за год кг. о и простоев, вызванных срывом запланированных «окон» из-за их отмены, отсутствием обслуживающих бригад, непланового ремонта машин и прочими причинами кг.т. Эти простои наносят наибольший вред путевым машинным станциям, так как приводят к большим экономическим потерям.

По результатам работы машин в 20042014 гг. можно сделать вывод, что все они за сезон подвержены отказам и неисправностям. Наработка на отказ у таких машин, как ВПР и ПМГ, меньше периодичности выполнения ТО-1, у остальных же этот показатель прибли-

зительно соответствует периодичности выполнения ТО-1.

Опыт эксплуатации транспортных машин в путевых машинных станциях

Основным условием обеспечения высокой работоспособности машин является их техническая эксплуатация в соответствии с существующей системой технического обслуживания и ремонта.

В производственных организациях, занятых реконструкцией пути, принята планово-предупредительная система технического обслуживания и ремонта машин (ППР). Эта система основана на закономерностях износа деталей машин в условиях нормальной эксплуатации и представляет собой комплекс организационно-технических мероприятий предупредительного характера, проводимых периодически в плановом порядке и направленных на повышение надежности машин. Для каждой машины они указываются в инструкции по ее эксплуатации.

Для строительных и путевых машин могут выполняться следующие виды технического обслуживания и ремонта: ежесменное (ежедневное) техническое обслуживание, периодическое техническое обслуживание, текущий ремонт, средний ремонт, капитальный ремонт, годовой контрольно-технический осмотр.

Во всех видах технического обслуживания и ремонта такие узлы машин, как колесные пары, автосцепные устройства, тормозные устройства, крановые механизмы, электрическое оборудование, буксы, должны быть освидетельствованы и приведены в исправное состояние в соответствии с требованиями инструкций и правил, утвержденных ОАО «РЖД».

Таблица 2

Простои транспортных машин и коэффициенты готовности

Тип машины Общие простои, дни Общий коэффициент готовности кго Простои, вызванные отменой «окон», дни Коэффициент готовности кгт

ЩОМ 106 0,75 60,6 0,82

УК-25 25 0,83 32,7 0,92

УК-25СП 91 0,76 41,6 0,90

Дуоматик 66 0,86 29,8 0,93

Унимат 61 0,87 20,9 0,95

ДСП 29 0,82 36,6 0,91

ВПРС 102 0,77 30,9 0,93

ВПР 68 0,80 30,3 0,93

Распределение отказов и неисправностей по узлам и агрегатам в процентном отношении ко всему количеству отказов приведено в табл. 3. Из нее видно, что отказывают практически все агрегаты машин.

Таким образом, по своей эксплуатационной надежности применяемые в путевых машинных станциях машины не в полной мере соответствуют напряженному графику летних путевых работ. Низкая надежность этих машин не гарантирует их безотказную службу в «окно». Не обеспечивают это и профилактические мероприятия, предусмотренные руководствами по эксплуатации машин.

Особо следует отметить такой общий недостаток эксплуатируемых транспортных машин, как плохая укомплектованность их на заводах-изготовителях различными легкосъемными приспособлениями, обеспечивающими быстрый демонтаж и монтаж, а также разборку узлов и агрегатов в полевых условиях.

Техническое диагностирование машин

Непременным требованием к обеспечению высокой надежности путевых машин является применение современных методов и технических средств для изучения технического состояния и прогнозирования ресурсов работы машины и в первую очередь технической диагностики.

В настоящее время затраты на техническое обслуживание и ремонт путевых машин в процессе их эксплуатации достаточно высоки и со-

ставляют до 40-50 % себестоимости машино-смены. Объясняется это как несовершенством методов технического обслуживания и ремонта, так и недостатками самой системы планово-предупредительных ремонтов, которая не устанавливает связи между объемом и периодичностью ремонтов и регулировочно-настроечных работ с одной стороны, и фактическим состоянием узлов машины - с другой.

Выше отмечалось, что вероятность отказов и их последствий определяют на основании статистических данных. Однако во многих случаях, используя только нормированную наработку на отказ основных узлов и элементов машины, нельзя с большой точностью предсказать их отказ и, следовательно, обоснованно назначить периодичность и объем ремонтных работ, предотвратив появление неисправности в машине во время «окна». Опыт показал, что более целесообразно вместо запланированных работ по регулировке и настройке узлов машины и их текущему ремонту производить в плановом порядке только контрольные работы, связанные с оценкой фактического состояния элементов и узлов машины, а работы, предусмотренные системой ППР, выполнять только по мере необходимости.

Техническое диагностирование позволяет: предотвратить поломки отдельных элементов и узлов (в том числе во время «окна»), предотвратить преждевременный ремонт машин, находящихся в хорошем состоянии; сократить

Таблица 3

Распределение отказов по узлам и агрегатам транспортных машин

Тип машины Приборы безопасности Силовые установки Агрегаты трансмиссии Ходовая часть Гидравлическое оборудование Электрооборудование Рабочие органы Контрольно-измерительная система

ЩОМ, СЧ - - - - 28,1 11,3 51,4 -

ПМГ 6,54 11,8 9,4 3,7 19,4 33,7 15,2 -

ВПР, ВПРС 3,32 3,31 15,8 1,8 28,7 13,3 25,6 18,6

ДСП 2,43 2,14 63 39 12,6 3,4 6,3 -

УТМ, ТЭУ, ПТМ - 44,2 - - - 56,1 - -

СЗП - - - 1 15,3 73,1 11,2 -

МКТ - - 11,2 - 65,2 25,6 - -

СЗ - 11,3 8,7 - 15,5 76,1 1,8 -

потребность в некоторых запасных частях за счет своевременности ремонта машин; повысить качество и снизить трудоемкость регули-ровочно-настроечных работ при выполнении плановых технических обслуживаний; установить действительную потребность в текущих технических обслуживаниях и ремонтах, а также в крупных ремонтных работах во избежание аварийных отказов. В связи с такими возможностями техническое диагностирование применяют для оценки технического состояния объекта в данный момент, для корректировки объемов и периодичности технического обслуживания, определения рациональных сроков ремонтов и причин неисправностей.

Поэтому техническое диагностирование осуществляется или независимо от плановых технических обслуживаний (например, в период подготовки машины к работе в «окно»), или одновременно с операциями плановых технических обслуживаний и ремонтов.

Техническое диагностирование путевых машин переживает пока период своего становления. Но уже сейчас совершенно ясно, что без широкого внедрения его в путевое хозяйство обеспечить высокую надежность путевых машин при работе в «окна» вряд ли возможно. Поэтому ближайшей задачей является широкое внедрение уже созданных методов и средств диагностирования в практику путере-монтных работ.

Результат использования на путеремонт-ных работах путевых машин во многом зависит от «возрастной» структуры парка.

В исследованиях ВНИИЖТа [11] отмечается: «Годовая выработка машин на 6-7-й год эксплуатации, как правило, снижается в 1,21,3 раза. Сегодня капитальный ремонт позволяет восстановить ресурс машин на 80-85 %, и на 11-12-й год эксплуатации (через 4-5 лет после капитального ремонта) годовая выработка большинства машин, как правило, сокращается на 25-35 % по сравнению с периодом эксплуатации в первые пять рабочих сезонов» [11, с. 7].

Рациональное оснащение производственных предприятий транспортными машинами, сопровождающееся ликвидацией физически и морально устаревших единиц, позволит ускорить внедрение ресурсосберегающих техно-

логий ремонта и снизить эксплуатационные расходы в путевом хозяйстве.

Выводы

1. При разработке методики оценки надежности технологических процессов реконструкции и ремонтов пути учитывалось, что рассматриваемые ТС являются многофазными, т. е. их работа организована так, что продукт последовательно обрабатывается в первом, втором и последующих технологических устройствах (путевых машинах). Вся ТС считается работоспособной, если выходное устройство выдает готовую продукцию. Функция надежности ТС определяется как сумма вероятностей Р] нахождения ее в]-м работоспособном состоянии с учетом нормировочного условия: равенства Р] единице.

Коэффициент готовности ТС кг.с определяется как композиция готовности всех ее элементов (путевых машин). При отказе одного из элементов ТС выключается, и во время ее восстановления оставшиеся работоспособные элементы не отказывают.

2. Условно отказы (простои) путевых машин можно поделить на технические (нахождение в ремонте, наладке, на техническом обслуживании) и организационные (отсутствие подготовленных фронтов работ, транспортировка машин с других фронтов, отмена «окон»). В соответствии с этим общий коэффициент готовности путевых машин колеблется в пределах кг.о = = 0,75...0,85, а технический коэффициент готовности в пределах кг.т = 0,82.0,92. В этом случае коэффициент готовности системы путевых машин, выполняющих реконструкцию пути, составляет кг.с = 0,65.

3. Непременным требованием к обеспечению высокой работоспособности путевых машин является их техническая эксплуатация с использованием наработки на отказ основных узлов и элементов машин.

Важнейшей задачей дирекций по ремонту и содержанию путевых машин является внедрение уже созданных методов и средств их технического диагностирования в практику организации путеремонтных работ, более четкого планирования и управления использованием путевых машин.

Библиографический список

1. Спиридонов Э. С., Шепитько Т. В. Надежность реализации организационно-технологических решений и ее определение на модели // Сб. науч. тр. М. : МИИТ, 1999. Вып. 925. С. 51-52.

2. Мосаков Б. С., Щепотин Г. К. Повышение организационно-технологической надежности процесса обеспечения безопасности транспортного потока // Изв. вузов. Стр-во. 2014. № 2. С. 40-45.

3. Сазонов В. Н. Развитие ремонтного комплекса путевого хозяйства // Материалы совещания руководителей ремонтного комплекса путевого хозяйства. М. : ОАО «РЖД», 2006. 68 с.

4. Карпущенко Н. И., Величко Д. В. Обеспечение надежности железнодорожного пути и безопасности движения поездов. Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2008. 321 с.

5. Карпущенко Н. И., Пименов И. Я., Колмогорова Т. В. Управление рисками и обеспечение движения на пересечении железных и автомобильных дорог. Новосибирск : Наука, 2012. 151 с.

6. Гришов А. И. Итоги работы ремонтно-путевого комплекса // Путь и путевое хозяйство. 2017. № 1. С. 2-4.

7. Величко Д. В. Повышение производительности работы машинных комплексов в «окно» // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2015. № 4 (35). С. 5-11.

8. Дружинин Г. В. Надежность автоматизированных производственных систем. М. : Энергоатомиздат, 1986. 480 с.

9. Рябинин И. А., Киреев Ю. Н. Надежность электроэнергетических систем и судового электрооборудования. Л. : Судостроение. 1974. 141 с.

10. Гришов А. И. От оздоровления пути зависит его надежность // Путь и путевое хозяйство. 2009. № 3. С. 2-5.

11. Королев А. И., Бойко Н.Ф. Состояние парка путевых машин ОАО «РЖД» // Путь и путевое хозяйство. 2005. № 1. С. 7-8.

N. I. Karpushchenko, A. S. Pikalov, P. S. Trukhanov

Assessment of the Railway Track Reconstruction Technological Processes Reliability According

to the Data on the Track Machines Failures

Abstract. The article presents the methodology and algorithm for assessing the reliability of track machines, as recoverable objects, combined into a single technological system. Recommendations on the organization of diagnostics, maintenance and repair of machines are also given.

The use of a high-performance machine complex in the transport infrastructure reconstruction solves the important task of the transport process efficiency increasing in the event that all the machines in the technological chain are sufficiently reliable.

When developing a methodology for assessing the reliability of technological processes for the reconstruction of a path, it was taken into account that the technological systems (TS) under consideration are multiphase, i.e. its work is organized in such a way that the product is sequentially processed in the first, second, etc. technological devices (track machines). The entire TS is considered operational if the output device provides finished products. The TS readiness function is defined as the sum of the finding probabilities in working condition, taking into account the normalization condition. The availability factor of the TS is defined as the composition of all its elements (track machines) readiness.

Data on the machine failures, assemblies and the time spent on their repairs were obtained on the basis of collecting and processing data from a large number of machines used in the West Siberian Directorate of machine repairs. The sources of information were also used data obtained using the Unified Corporate Automated Infrastructure Management System (EKASUI) of Russian Railways.

Technical diagnostics of track machines is going through a period of its formation. Therefore, the immediate task is the widespread introduction of already created methods and diagnostic tools into the practice of track-repair works.

Key words: track machines; reliability; technological systems; diagnostics; technical maintenance and repairs.

Карпущенко Николай Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры «Путь и путевое хозяйство» СГУПСа. E-mail: kni@stu.ru

Пикалов Александр Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Путь и путевое хозяйство» СГУПСа, начальник технического отдела Западно-Сибирской дирекции по ремонту пути. E-mail: SecretarDRP@wsr. ru

Труханов Павел Станиславович - преподаватель кафедры «Путь и путевое хозяйство» СГУПСа. E-mail: pavelst07@mail.ru