CC BY
241
УДК 629.4.023
Р. К. Насыров, Н. С. Зайниддинов
ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЛОКОМОТИВОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ТРАНСПОРТА
Остаточный ресурс несущих конструкций локомотива в целом на момент обследования определяется узлом, который имеет наименьший остаточный ресурс. Рассмотрены методы и оценка остаточного ресурса локомотивов. При оценке остаточного ресурса подвижного состава определяющими являются их несущие конструкции. Они должны соответствовать предъявляемым к ним требованиям1, выполнение которых обеспечит необходимую надёжность, работоспособность и безопасность эксплуатации.
подвижной состав, несущие конструкции, оценка остаточного ресурса, срок службы тепловозов, локомотивы промышленного транспорта, технический ресурс.
Введение
Ни для кого не секрет: парк отечественного тягового подвижного состава изношен до предела - особенно тот, который принадлежит промышленным предприятиям, так как за последние двадцать лет новые локомотивы ими практически не закупались.
После перестройки российские железные дороги общего и необщего пользования оказались в трудном положении, поскольку часть предприятий транспортного машиностроения оказалась за пределами России, например, производители грузовых электровозов постоянного тока и грузовых тепловозов - Тбилисский электровозостроительный и Луганский тепловозостроительный заводы с проектной мощностью 960 единиц в год каждый. Также были прекращены поставки пассажирских электровозов и маневровых тепловозов, которые на 100 % закупались в Чехии.
По мнению экспертов, в настоящее время железнодорожная отрасль переживает период реформирования. Так, концепция развития российского железнодорожного машиностроения на 2010-2020 гг. предполагает, что ежегодное производство предприятий железнодорожного машиностроения должно выйти на уровень в 500 секций электровозов, 277 секций тепловозов. Для обеспечения такого прироста выпуска новых локомотивов будет увеличено производство их на действующих Новочеркасском, Коломенском и Брянском заводах, идет строительство нового Уральского завода железнодорожного машиностроения. К сожалению, все выпускаемые в настоящее время отечественными машиностроительными предприятиями локомотивы поступают только в собственность ОАО
1 Нормы для расчёта и оценки прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог МПС РФ колеи 1520 мм. - М. : ВНИИЖТ, 1998. - 145 с.
«Российские железные дороги». Большинство специалистов отмечают, что, если не принять срочных мер, к 2010 г. более 90 % локомотивов промышленного транспорта выработают назначенный срок службы, а эксплуатация их будет запрещена действующими нормативными документами.
С учетом того, что локомотивы промышленного транспорта проходят регулярное техническое обслуживание, эксплуатируются в условиях благоприятных нагрузок и не испытывают высоких продольных воздействий, можно предположить, что, несмотря на истечение нормативного срока службы, их технический ресурс выработан еще не полностью. Отечественная и зарубежная практика показывает, что фактический срок эксплуатации локомотивов промышленного транспорта зачастую может существенно превышать срок, заявленный производителем. Исходя из невозможности одновременного обновления всего парка локомотивов и наличия остаточного ресурса целесообразно выполнить экспертное обследование их технического состояния для обоснования возможности продления срока службы за счет обновления изношенного оборудования и усиления ослабленных несущих конструкций.
При таких обстоятельствах одной из важнейших задач экспертного обследования локомотивов, формально не предусмотренного действующими нормативными документами, становится оценка остаточного ресурса. Эта задача не является простой и не может быть решена путем проведения типовых профилактических испытаний. 1
1 Оценка остаточного ресурса несущих конструкций локомотивов
Остаточный ресурс несущих конструкций локомотива в целом на момент обследования определяется узлом, который имеет наименьший остаточный ресурс. Выявить такой узел может только комплексная экспертиза, иначе можно легко ошибиться из-за недосмотра и недоучета всех имеющихся на момент обследования дефектов. Оценка остаточного ресурса имеет вероятностный характер, поэтому для получения более точной оценки необходимо обеспечить подтверждение предполагаемых дефектов несколькими методами. Для принятия обоснованных решений о выведении локомотива из эксплуатации, направления его в ремонт, об объеме ремонта или же о продолжении эксплуатации необходимо, кроме определения узла с наименьшим остаточным ресурсом, получить надежную информацию об остаточном ресурсе всех других узлов, деталей и систем.
Наибольшая эффективность комплексной экспертизы локомотивов может быть получена при наличии развитой организационной и технологической системы контроля их технического состояния, которая бы позволяла получать максимум информации о техническом состоянии при минимальном вмешательстве в процесс эксплуатации. Такая система предполагает:
■ наличие специализированных звеньев, укомплектованных
высококвалифицированными и опытными специалистами, работающими на постоянной основе;
■ парк высокотехнологичных современных приборов;
■ развитую и регулярно обновляемую методическую базу;
■ дистанционный мониторинг функциональных параметров работающих локомотивов с возможностью архивирования данных;
■ ведение ремонтной и эксплуатационной документации эксплуатируемых локомотивов;
■ регулярную работу по дооснащению новыми эффективными средствами контроля и по улучшению контролепригодности локомотивов.
Перечень работ, выполняемых в рамках комплексной экспертизы, не может быть полностью исчерпывающим. Всегда остаются какие-то свойства или параметры, для проверки которых нет соответствующих методов и средств контроля, или же существующие средства на момент обследования недоступны по тем или иным причинам. Поэтому методы и средства, применяемые при комплексной экспертизе, предопределяются конструктивными особенностями локомотивов, обстоятельствами обследования и поставленными задачами. Основной признак комплексности - это максимальный, исходя из имеющихся средств, охват свойств и характеристик контролируемого локомотива и использование взаимодополняющих, уточняющих и перекрывающих друг друга средств и методов. Имеющиеся диагностические методы и технологии позволяют осуществлять обследования как локомотива в целом, так и его узлов на работающем локомотиве, на локомотиве, находящемся в разобранном состоянии, а также путем лабораторных исследований. Получаемые результаты дополняют и уточняют друг друга.
Задача продления срока службы и обеспечения надежности работы локомотивов решается путем своевременного выявления и устранения дефектов, не давая им развиться до такой степени, при которой последует аварийная ситуация или необратимое разрушение локомотива. Наряду с устранением выявленных дефектов, известным способом сбережения ресурса работоспособности является замедление или прекращение развития этого дефекта.
Большинство узлов локомотива могут быть отремонтированы или заменены, и таким образом ресурс работоспособности локомотива восстанавливается либо полностью (в редких случаях), либо частично (как правило). Имеется лишь один узел, определяющий остаточный ресурс локомотива, - это главная рама.
2 Методы и алгоритмы оценки остаточного ресурса локомотивов
Многолетнее применение методов оценки остаточного ресурса несущих конструкций основывается на выявлении и анализе устойчивых тенденций изменения контролируемых параметров за относительно длительный срок регулярных наблюдений. Критериями, позволяющими оценивать определенные аспекты технического состояния, являются как пороговые уровни отдельных параметров, так и тенденции их изменения, выявляемые в ходе экспертных обследований.
Алгоритм оценки остаточного ресурса несущих конструкций локомотива включает следующие этапы:
1. Анализ технической документации ставит целью определение номенклатуры технических параметров, предельных состояний, выявление наиболее вероятных отказов и повреждений, а также элементов конструкции и ее участков, увеличение повреждений и дефектность которых могут привести к ресурсному отказу. Особое внимание должно быть уделено анализу критериев, причин, последствий и критичности отказов, выявлению возможных постепенных деградационных и зависимых отказов, подтверждению отсутствия возможности внезапных отказов.
Анализу должна подлежать:
■ нормативно-техническая, конструкторская (проектная) и эксплуатационная, в том числе монтажная, эксплуатационная и ремонтная документация;
■ техническая документация и научно-техническая информация по отказам и повреждениям по каждому парку локомотивов и аналогичному оборудованию.
Анализ технической документации завершается составлением перечня проанализированной документации и карты локомотива в виде эскизов и таблиц, с указанием элементов и участков, которые, вследствие особенностей их конструкторского или технологического исполнения и условий функционирования и нагруженности, представляются наиболее предрасположенными к появлению повреждений и отказам (в особенности скрытым, зависимым и внезапным).
На этом этапе изучается интенсивность эксплуатации обследуемого локомотива с целью прогнозирования нагруженности его узлов и агрегатов в дальнейшем. К параметрам, характеризующим этот показатель, относятся пробег, масса перевозимого груза, возможность перегруза, коэффициент использования, вид перевозимых грузов и их коррозионные или абразивные свойства.
2. В ходе анализа повреждений и отклонений параметров технического состояния, проводимого на основе данных, полученных при анализе технической документации, оперативной диагностике и экспертном обследовании, должны быть определены текущее техническое состояние локомотива, уровень и механизмы повреждений, фактическая нагруженность - все необходимое для прогнозирования развития этого состояния в соответствии с установленными закономерностями
доминирующих механизмов повреждения до достижения параметрами технического состояния значений, при которых механизмы и узлы локомотива переходят в предельные состояния.
Анализ должен включать:
■ оценку фактической нагруженности основных элементов конструкции локомотивов, сделанную расчетным методом по действующим нормативно-техническим документам, с учетом всех режимов нагружения и действующих нагрузок (включая температурные воздействия), фактической геометрии конструкции, фактической толщины ее несущих элементов; имеющихся и выявленных концентраторов напряжений и экспериментальных результатов исследований напряженно-деформированного состояния, полученных при оперативной диагностике и экспертном обследовании;
■ определение механизмов образования и роста обнаруженных дефектов и повреждений, возможных вследствие их развития отказов (постепенных, деградационных, внезапных, включая их категории, последствия и критичность); при этом особое внимание должно быть уделено подтверждению отсутствия вероятности внезапных отказов, при которых невозможно прогнозирование остаточного ресурса;
■ оценку параметров технического состояния локомотива, их соответствие требованиям нормативно-технической и конструкторской документации, а по отклонению от требований -установление определяющих параметров технического состояния;
■ установление уточненной, по сравнению с указанной в нормативнотехнической документации, системы предельных состояний и их критериев (например, уровень прогрессирующего формоизменения, возникновение предельно допустимых трещин, уровень течи перед разрушением и т. д.);
■ заключение о необходимости дальнейших уточненных расчетов и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния и характеристик материалов;
■ заключение о возможности дальнейшей эксплуатации локомотива с определением назначенного ресурса (до проведения уточненных расчетов и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния, характеристик материалов и оценки остаточного ресурса) в случае отсутствия повреждений, влияющих на параметры технического состояния локомотива.
3. Экспертное обследование направлено на получение информации о реальном техническом состоянии локомотива, наличии в нем повреждений, выявление причин и механизмов их возникновения и
развития. Экспертное обследование проводится в соответствии с программой и методикой применительно к данной серии локомотивов.
В общем случае программой и методикой предусматриваются:
■ визуальный (внешний и внутренний) контроль;
■ измерение геометрических параметров, включая толщинометрию (рис. 1);
■ замеры твердости и определение механических характеристик; металлографические исследования; определение химического состава металла; дефектоскопический контроль, вид и объем которого устанавливается с учетом требований полноты и достаточности выявления дефектов и повреждений данного локомотива;
■ при необходимости - испытания на прочность (с применением методов тензочувствительных покрытий, тензометрии, акустической эмиссии, термографии и др.).
Результаты экспертного обследования оформляются в виде протоколов измерений, карт дефектности и повреждений локомотива с таблицами данных, введенных в базу данных по локомотиву и отраженных в отчете или техническом заключении. В случае обследования неисправного (но ремонтопригодного) или нефункционирующего локомотива порядок проведения оперативной диагностики и экспертного обследования может быть изменен.
А
В - В
Рис. 1. Главная рама маневрового тепловоза ТЭМ2
Сначала выполняется органолептический контроль (наружный и внутренний осмотр) кузова и рамы локомотива. В задачу контроля входит визуальное и метрологическое выявление отклонений геометрических размеров конструкций обследуемого локомотива от проектных, выявление трещин, деформаций, других дефектов, а также определение зон углубленного исследования материала и сварных соединений. Затем проводится толщинометрия основных несущих элементов конструкции локомотива. Для выявления зон и степени утоньшения элементов металлоконструкций, которые могут возникать вследствие деформаций, коррозионного или абразивного воздействия внешней среды, грузов или сопрягающихся элементов, используются измерительные приборы и инструмент.
4. Уточненные расчеты и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния и характеристик материалов осуществляется для получения дополнительной (а также отсутствующей в технической документации) информации об уровне номинальных и местных напряжений и деформаций с учетом фактических свойств материалов, необходимой для установления механизмов повреждений и непосредственно расчетов остаточного ресурса. Уточненные расчеты делаются с учетом всех режимов и действующих нагрузок за период эксплуатации (включая температурные воздействия и взаимодействие с внешней средой), а также возможных изменений характеристик материалов.
В программе и методике разработаны расчетные модели, применяемые для определения усилий, перемещений, напряжений и деформаций в рассчитываемых конструкциях по методу конечных элементов, с использованием пакета прикладных программ SolidWorks 2008 (рис. 2).
Рис. 2. Фрагмент расчета напряженно-деформируемого состояния рамы тепловоза ТЭМ2
Сравнительные измерения, обычно выполняемые для проверки результатов, полученных при расчетах по методу конечных элементов,
показывают, что разница между результатами расчетов и измерений не превышает 10 % (рис. 3), что вполне приемлемо для оценки действующих на раму тепловоза деформаций и напряжений.
Рис. 3. Сравнение результатов расчета деформированного состояния и данных замеров деформации рамы тепловоза ТЭМ2
Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния, выполненных по нормативным документам, не регламентированным непосредственно для обследуемого локомотива, проверяются экспериментальными методами (тензометрии, тензочувствительных покрытий, термометрии, акустической эмиссии и т. д.), которые в отдельных случаях (например, при отсутствии точных или апробированных на практике методов для сложных расчетных случаев) могут использоваться самостоятельно. Это методы математического моделирования и ускоренные методы испытания (при достаточном теоретическом и экспериментальном обосновании).
Характеристики материалов уточняются при помощи образцов, вырезанных из элементов конструкции рамы локомотива, или образцов-свидетелей (в отдельных случаях, при достаточном экспериментальном обосновании, на их имитаторах), в соответствии с программами исследований, составленными с учетом обнаруженных повреждений и условий эксплуатации элемента конструкции. При этом перечень характеристик материала должен быть расширен и включать, кроме стандартных прочностных свойств, в зависимости от условий эксплуатации, характеристики малоцикловой и многоцикловой усталости, длительной прочности, трещиностойкости, сопротивления коррозии и коррозионному растрескиванию и др.
Испытания образцов и определение характеристик материалов осуществляются в соответствии с нормативно-технической документацией. По результатам уточненных расчетов и исследования напряженно-деформи-рованного состояния и характеристик материалов уточняются механизмы повреждений, параметры технического состояния, устанавливаются определяющие параметры технического состояния и критерии предельных состояний.
5. Остаточный ресурс локомотива определяется на основе совокупности имеющейся информации. По определяющим параметрам делается прогноз его предельного технического состояния.
На первой стадии прогнозирования величины остаточного ресурса показывается, что в результате обследований и анализов технического состояния получены:
■ параметры технического состояния локомотива;
■ определяющие параметры технического состояния, изменяющиеся соответственно выявленному механизму повреждения элементов рамы локомотива;
■ критерии предельных состояний рамы локомотива, достижение которых возможно при развитии выявленных повреждений.
В качестве основного показателя остаточного ресурса в результате прогноза определяется гамма-процентный ресурс, задаваемый двумя численными значениями: наработкой и выраженной в процентах
вероятностью того, что в течение этой наработки предельное состояние не будет достигнуто. Выбор вероятности (гамма) осуществляется в зависимости от назначения, степени ответственности и режима использования локомотива. Для уникальных и ответственных деталей локомотивов, преждевременное прекращение работы которых может привести к существенным экономическим потерям, это значение может достигать 90-95 %. Если переход рамы локомотива в предельное состояние (ресурсный отказ) связан с опасностью для жизни и здоровья людей, значительными экологическими последствиями и контроль за техническими параметрами не ведется непрерывно, продолжительность эксплуатации следует нормировать заданием назначенного ресурса, основываясь, в том числе, на полученных показателях остаточного ресурса.
Заключение
Результаты расчетов позволяют сделать вывод о том, что остаточная прочность несущих конструкций локомотивов, подвергшихся коррозии или износу по боковым поясам и концевой части главной рамы при всех расчетных режимах, и коррозионный износ не должны превышать 50 % номинальной толщины элемента за суммарный срок службы - 30 лет. Ремонту подлежат локомотивы: со сквозной и несквозной коррозией обшивки кузова; с коррозионным повреждением (утоньшением) несущих элементов кузова, превышающим 30 % номинальной толщины; с ранее установленными заплатами на кузове, у которых в результате коррозии имеются разрывы по сварному шву, соединяющему накладку с обшивкой кузова. Усиление утоньшенных на 30 % элементов боковых или концевой балок главной рамы при сквозной коррозии производится с помощью установки накладок толщиной 4 мм. Компоненты несущих элементов кузова с коррозионным износом менее 30 % и отсутствием сквозной
коррозии в ремонте не нуждаются. При утоньшении элементов более чем на 30 % и наличии сквозной коррозии обшивки участок сквозной коррозии вырезается и устанавливается заплата, при несквозной коррозии -накладка толщиной 6 мм. Все работы производятся с внешней стороны кузова или рамы локомотива (рис. 4).
Усиления снижают действующие напряжения в конструктивных элементах рам и кузовов и повышают остаточный ресурс локомотивов, срок службы которых может быть дифференцированно продлен. Срок продления зависит от темпа коррозионной деградации металлоконструкций и степени их коррозионного износа.
Рис. 4. Усиление рамы локомотива
Статья поступила в редакцию 16.07.2009;
представлена к публикации членом редколлегии А. В. Грищенко.
УДК 629.42.064.5
В. В. Никитин, Е. Г. Середа
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И МАССОГАБАРИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБМОТКИ ТОРОИДАЛЬНОГО СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ
Задача эскизного расчета обмотки сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии (СПИН) заданной энергоемкости состоит в определении ее геометрических и электромагнитных параметров и проверке их по условиям возможности размещения в заданном объеме секции автономного локомотива.
сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии, автономный локомотив, электропередача.
