CC BY
49
УДК 621.336
О. А. СИДОРОВ, В. В. СВЕШНИКОВ, С. Ю. СОСНОВСКИЙ (ОМГУПС)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения», пр. Маркса, 35, Омск, Россия, 644046, тел 8-960-998-50-30, эл. почта: serqev.omqups@qmail.com
ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ТОКОПРИЕМНИКА СКОРОСТНОГО ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Надежность является одним из самых важных показателей деталей и устройств современной техники. От нее зависят такие характеристики, как качество, эффективность, безотказность, риск, готовность, живучесть. Техника может быть эффективной только при условии, если она имеет надежность [1].
В случае отказа токоприемника прекращается обеспечение подвижного состава электрической энергией. Это может привести к временным, экономическим или материальным потерям. Чтобы избежать этого, необходимо точно определять ресурс токоприемника и его элементов, а так же назначать текущие и капитальные ремонты.
В статье рассчитана надежность конструкции токоприемника и составляющих его элементов и подсистем для оценки показателей надежности, обеспечивающих надежный, экономичный и экологичный токосъем.
Объектом исследования является токоприемник, предназначенный для применения на линиях с модернизированной инфраструктурой системы токосъема.
Исследуемый токоприемник разрабатывается в рамках проекта «Разработка и организация высокотехнологичного производства нового магистрального токоприемника для применения на линиях с модернизированной инфраструктурой системы токосъема» (договор № 13.G25.31.0034 от «07» сентября 2010 г.) реализуемого при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Конструкция токоприемника представляет собой асимметричный пантограф, предназна-
ченный для установки на электровозы: ЧС2, ЧС4, ЧС6, ЧС7, ВЛ10, ЭП9, ЭП1, ЭМ2, ЭМ4, ЭП200, ЭП2К, ЭП10. Наибольшая допустимая скорость токоприемника - 160 км/ч.
Расчет надежности токоприемника ведется методом структурных схем. Этот метод применяется для простых систем при следующих условиях:
- элементы систем рассматриваются как од-ноотказные;
- система представляется в виде единой структурной схемы, состоящей из суммы последовательных и параллельных соединений элементов, подсистем;
- в структурной схеме одно и тоже событие должно представляться в виде одного элемента, подсистемы, то есть должна соблюдаться ординарность.
Методика построения структурной схемы включает следующие основные этапы:
- составление принципиальной схемы на основе изучения конструкции функциональной системы;
- составление структурной схемы, на которой прямоугольником обозначается событие безотказной работы элемента, а соединяющая линия обозначает связь - последовательность реализации событий безотказной работы системы в целом (последовательное или параллельное соединение);
- составляется уравнение для оценки вероятности безотказной работы системы.
Для расчета показателей надежности составляется структурная схема токоприемника в общем виде (рис. 1).
Рис. 1. Структуры;
Для определения времени безотказной работы токоприемника используем формулу:
ртм=ткар-р(1)спр-р(1)пт
где X - расчетное время, X = 8760 ч [2]. Время X выбрано исходя из методики расчета. Результаты расчетов приведены на время, большее срока службы токоприемника;
Р,к(1:) - вероятность безотказной работы токоприемника;
РкарСО - вероятность безотказной работы подсистемы «каретка»;
Рспр(1) - вероятность безотказной работы подсистемы «система подвижных рам»;
Рпома) - вероятность безотказной работы подсистемы «подъемно-опускающий механизм»;
РоснЮ - вероятность безотказной работы подсистемы «основание»;
я схема токоприемника
■тосн-тт-тУУ-тсар, (1)
РшолО) - вероятность безотказной работы изолятора;
Руу(1;) - вероятность безотказной работы подсистемы «система автоматического регулирования»;
РсарСО - вероятность безотказной работы подсистемы «система автоматического регулирования».
Для расчета показателей надежности токоприемника необходимо рассчитать показатели надежности всех подсистем. Таким образом, необходимо отдельно рассмотреть каждую подсистему и построить для нее структурную схему. На рисунке 2 показана структурная схему каретки.
Вал
Пружина
Вал
Верхний рычаг каретки
Вал
Нижний рычаг каретки Нижний рычаг каретки
Вал
Вал
Корпус
Вал
Вал
Пружина Верхний рычаг
каретки
Вал
Нижний рычаг картеки
Нижний рычаг картеки
Вал
Вал
Рис. 2. Структурная схема каретки Каретка состоит из следующих элементов: как последовательные, так и параллельные совал, корпус, верхний рычаг каретки, нижний единения элементов [3]. Интенсивности отка-рычаг каретки, пружина. В схеме присутствуют зов элементов представлены в таблице 1 [4].
Таблица 1
Интенсивности отказов элементов каретки
Элемент Интенсивность отказов, 10"61/ч
Вал 0,020
Корпус 0,005
Верхний рычаг каретки 0,004
Нижний рычаг каретки 0,004
Пружина 0,012
Шунт 2,200
При расчете вероятности безотказной работы используем формулу для внезапного отказа:
РЦ) = ем, (2)
где X - интенсивность отказов, 10~б 1/ч.
Для учета влияния динамики подвижного состава и климатических воздействий вводим в формулу (2) коэффициенты кд и кт. Для всех систем принимаем коэффициент влияния динамики подвижного состава кд = 1,54 и коэффициент климатических воздействий кт = 2 [3]. Получаем уточненную формулу:
Р(/) = (3)
Вероятность безотказной работы корпуса:
Рко (¡) = е-о,005.10-.8760.1,54.2 = 0,999865105
Далее рассчитываем последовательное соединение элементов: вал - верхний рычаг -нижний рычаг - вал. Согласно формуле:
РМ) = Р (гур а)-Р аур (0, (4)
IV/ вал \ ' в.р.к V / н.р.к \ ' вал \ V /
где Рвал(У) - вероятность безотказной работы вала;
РвркЦ) - вероятность безотказной работы верхнего рычага каретки;
Рн рк (0 - вероятность безотказной работы нижнего рычага каретки.
Следовательно, вероятность безотказной работы вала:
Р (А = е-0.020-10^.8760.1,54-2 = 0 999460529
вал \ / 5
Вероятность безотказной работы верхнего рычага каретки: р = g-0 00410 ^87601 54'2 = о 999892082
Р (А — -0,004-10-».8760.1,54.2 _ QQQOQOAOO
в.р.к V / ^ — и, yyyoyzvoz. После получения промежуточных результа-
Px(t)
Вероятность безотказной работы нижнего тов можно вычислить : рычага каретки:
Рх (i) = 0,999460529 • 0,999892082 • 0,999892082 • 0,999460529 = 0,998705758.
Производим расчет последовательного со- где Рпр (t) - вероятность безотказной работы единения элементов: вал - пружина - вал -
пружины.
нижнии рычаг каретки - вал.
Р2 (0 = Рт (0 • Рпр (0 • Рт (0 • Р,р, (0 • Рт (0, (5)
Pnp(t) = ^.012-10^.8760.1,54.2 = 0,999676282,
Р2 (i) = 0,999460529 • 0,99967682 • 0,999460529 • 0,999892082 • 0,999460529 = 0,997951557.
Формула для расчета вероятности безотказ- п - количество параллельно соединен-
ной работы п параллельно соединенных эле- ных элементов.
ментов: Затем определяем вероятность безотказной
работы двух параллельных ветвей: вал - всрх-P(t) = l — П (1 —1> (¡у) (6) ний рычаг каретки - нижний рычаг каретки -
" г=1 ' ' вал и вал - пружина - вал - нижний рычаг ка-
ретки - вал.
где Р (t) - вероятность безотказной работы
Ра(0 = 1 - (1 - ^ (0) • (1 - (0), (7)
параллельно соединенных элементов; 1 -'w v lv " v -
Р{1_2) (í) = 1 - (1 - о,998705758) • (1 - 0,997951557) = 0,999997348.
Так как каретка имеет симметричное строение, вероятность безотказной работы для двух параллельных ветвей вычисляем как:
^(1-2)11 (0 = 1 - О - ^(1-2) (0) • (1 " ^(1-2) (0),
^(1-2)11 (0 = 1 - (1 - 0,999997348) • (1 - 0,999997348) = 0,999999999.
Вероятность безотказной работы каретки рассчитываем по формуле:
Рщр ({) = Ркор ({) ' ^(1-2)11 (tX
PKap(t) = 0,999865105 • 0,999999999 = 0,999865104.
В конструкции токоприемника предусматривается две каретки. Расчет производится, учитывая параллельное соединение:
Pmpll (t) = 1 - (1 - 0,999865104) • (1 - 0,999865104) = 0,999999981.
© Сидоров O.A. и др., 2013
Аналогично рассчитанные показатели надежности для всех элементов и подсистем токоприемника приведены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2
Рассчитанные параметры элементов токоприемника
Элемент Интенсивность отказов, 1(Г6 1/ч Вероятность безотказной работы, Р Время наработки на отказ, Т, ч
Вставка 1,110 0,97049533 900900
Накладка 0,001 0,999973019 109
Каркас 0,025 0,999325707 4Т07
Шунт 2,200 0,942369566 454454
Вал 0,020 0,999460529 5Т07
Подшипник 0,875 0,976668293 1142857
РКЭ 9,000 0,784407047 111111
Демпфер 0,030 0,999190903 33333333
Изолятор 0,050 0,998651869 2-107
Основание 0,005 0,999865105 2-108
Рычаг 0,004 0,999892082 250-106
Пружина 0,012 0,999676282 83333333
Корпус 0,005 0,999865105 2-108
Цепная пер. 2,175 0,999993301 459770
Воздушный фильтр 0,200 0,994618373 5-106
Пневморегулятор 2,100 0,944915588 476190
Электропневматический клапан 0,900 0,976009733 1111111
Пневматический дроссель 0,800 0,978646641 1,25-106
Датчик скорости 0,400 0,989265708 2,5-106
Датчик искрения 0,100 0,997305556 1-107
Блок управления 0,800 0,978646641 1,25-106
Согласно таблице 2 элементами, обладаю- морегулятор. При эксплуатации токоприемника щими наименьшей надежностью, являются ре- этим элементам следует уделять повышенное зинокордный элемент, цепная передача и пнев- внимание.
Таблица 3
Рассчитанные параметры подсистем токоприемника
Подсистема Вероятность безотказной работы, Р Время наработки на отказ, Т, ч
Каретки 0,999999981 1,4Т012
Система подвижных рам 0,996526765 2517762
Подъемно-опускающий механизм 0,780906458 109102
Управляющие устройства 0,967495305 816327
Система автоматического регулирования 0,968113656 832592
В результате расчетов, проведенных для определяем вероятность безотказной работы всех элементов и подсистем токоприемника, токоприемника:
Рш (0 = Рарп (0 • Рпр (0 • Рпом (0 • (0 • Ршп (0 • Р^ (0 • Р.у (0 • Рар (0, (11)
= 0,999999981-0,996526765 • 0,780906458 • 0,999999345 • •0,996678733 • 1 • 0,967495305 • 0,968113656 = 0,750398136. По результатам выполненной работы по- коприемника. Функция надежности токопри-строены графики функции надежности для емника приведена на рисунке 3. каждой подсистемы и функция надежности то-
т -►
Рис. 3. Функция надежности токоприемника
Выводы
Таким образом, средняя наработка на отказ рассмотренного токоприемника составляет 10000 ч при вероятности безотказной работы токоприемника 90%, что соответствует техни-
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников
1. Половко, А. М. Основы теории надежности [Текст] / А. М. Половко, С. В. Гуров. - 2-е издание -СПб.: БХВ-Петербург, 2008. - 704 с.
2. Половко, А. М. Основы теории надежности. Практикум [Текст] / А. М. Половко, С. В. Гуров - СПб.: БХВ -Петербург, 2006. - 560 с.
3. Сидоров, О. А. Оценка влияния диссипатив-ных характеристик амортизаторов на работу устройств токосъема [Текст] / О. А. Сидоров, В. В. Томилов, А. В. Беккер // Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта / Омский гос. ун-т путей сообщения - Омск, 2011. -237 с.
4. Половко, А. М. Сборник задач по теории надежности [Текст] / А. М. Половко, И. М. Маликова. - М., 1972. - 345 с.
Поступила в печать 12.02.2013.
ческим требованиям, предъявляемым к разрабатываемому токоприемнику.
Элементами, имеющими наименьшее время наработки на отказ при вероятности безотказной работы 90%, являются: резинокордный элемент - 3800 ч, цепная передача - 15728 ч и пневморегулятор - 16289 ч.
REFERENCES
1. Polovko, А. М. Gurov S. V. Osnovy teorii nadezhnosti[Fundamentals of reliability theory]. Saint Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2008. 704 p.
2. Polovko, A. M. Gurov S. V. Osnovy teorii nadezhnosti. Praktikum [ Fundamentals of reliability theory]. Saint Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2006. 560 p.
3. Sidorov, O. A., Tomilov V. V., Bekker A. V. Otsenka vliyaniya dissipativnykh kharakteristik amorti-zatorov na rabotu ustroystv tokos"ema. Aktual'nyeprob-lemy proektirovaniya i ekspluatatsii kontaktnykh podvesok i tokopriemnikov elektricheskogo transporta [Assessing the impact of the dissipative characteristics of the shock absorbers on the operation of the devices current collection. Actual problems of design and operation of overhead lines and current collectors of electric vehicles.]. Omsk, Omskiy gos. un-t putey soobshcheni-ya Publ., 2011.237 р.
4. Polovko, A. M., Malikova I. M Sbornik zadach po teorii nadezhnosti [Problems in the theory of reliability] Moscow, 1972. 345 p.
Статья рекомендована к печати д.т.н., профессором Г. К. Гетьманом
Стабильность токосъема на железных дорогах зависит от множества факторов, в том числе, от характеристик контактной сети и токоприемника. Взаимодействие контактной подвески и токоприемника является сложным процессом, особенно, на высоких скоростях. Для обеспечения непрерывного качественного токосъема контактная сеть и токоприемник должны обладать надежностью.
В случае отказа токоприемника прекращается обеспечение подвижного состава электрической энергией. Это может привести к временным, экономическим или материальным потерям. Чтобы избежать этого, необходимо точно определять ресурс токоприемника и его элементов, а так же время проведения текущих и капитальных ремонтов.
Объектом исследования является токоприемник, предназначенный для применения на линиях с модернизированной инфраструктурой системы токосъема.
Исследуемый токоприемник разрабатывается в рамках проекта «Разработка и организация высокотехнологичного производства нового магистрального токоприемника для применения на линиях с модернизи-
© Сидоров O.A. и др., 2013
рованной инфраструктурой системы токосъема» (договор № 13.G25.31.0034 от «07» сентября 2010 г.) реализуемого при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
В статье приведен расчет надежности конструкции токоприемника скоростного электроподвижного состава. Определены показатели надежности и элементы, имеющие наименьшее время наработки на отказ, построена функция надежности токоприемника.
Ключевые слова: надежность, контактная сеть, токоприемник, отказ, структурная схема.
УДК 621.336
О. А. СИДОРОВ, В. В. CBeiHHIKOB, С. Ю. СОСНОВСЬКИЙ (ОМГУПС)
Федеральне державне бюджетне осв1тня установа вищоТ професшноТ осв1ти «Омський державний ушвер-ситет шлях1в сполучення», пр. Маркса, 35, Омськ, Роая, 644046, тел 8-960-998-50-30, e-mail: serqey.omqups@qmail.com
ОЦ1НКА ПОКАЗНИК1В НАД1ЙНОСТ1 СТРУМОПРИЙМАЧ1В ШВИДК1СНОГО ЕЛЕКТРОРУХОМОГО СКЛАДУ
Стабшьшсть струмозшмання на зал1зницях залежить вщ безлн1 факторт, у тому числ1, вщ характеристик контактно! мереж1 i струмоприймача. ВзаемодЫ контактно! пщв1ски i сгрумоприймача е складним про-цесом, особливо, на високих швидкостях. Для забезпечення безперервного яюсного струмозшмання контактна мережа i струмоприймач повинш мати надшшстю.
У pa3i вщмови струмоприймача припиняеться забезпечення рухомого складу електричного енерпею. Це може призвести до тимчасових, економнних або матер1альних втрат. Щоб уникнути цього, необхщно точно визначати ресурс струмоприймача i його елементш, а так само час проведения поточних i каттальних ремонт1в.
Об'ектом дослщження е струмоприймач, призначений для застосування на лштх з модершзованою ¡н-фраструктурою системи струмозшмання.
Дослщжуваний струмоприймач розробляеться в рамках проекту «Розробка та оргашзацт високотехно-лопчного виробництва нового мапстрального струмоприймача для застосування на лштх з модершзованою ¡нфраструктурою системи струмозшмання» (догов1р № 13.G25.31.0034 Bifl «07» вересня 2010 р.) реа-л1зуеться за пщтримки М1н1стерства ocBi™ i науки РосшськоТ Федераци.
У CTarri наведено розрахунок надшносп конструкци струмоприймача швидюсного електрорухомого складу. Визначено показники надшносп та елементи, що мають найменший час напрацювання на вщмову, побудована функцт надшносп струмоприймача.
Ключов1 слова: надшшсть, контактна мережа, струмоприймач, вщмова, структурна схема.
Статтю рекомендовано до друку д.т.н, про(|)ссором /'. К. Гетъманом
UDC 621.336
О. A. SIDOROV, V. V. SVESHNIKOV, S. Y. SOSNOVSKIY (OMGUPS)
Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "Omsk State Transport University," Marx Ave 35, Omsk, Russia, 644046, phone 8-960-998-50-30, e-mail: serqev.omqups@qmail.com
RELIABILITY EVALUATION INDICATORS PANTOGRAPH SPEED ELECTRIC ROLLING
Stability of current collection on the railways will depend on many factors, including the characteristics of the contact line and pantograph. Interaction of overhead catenary and pantograph is a complex process, especially at high speeds. To ensure continuous quality of current collection and catenary pantograph must have reliability.
In case of failure to ensure trolley stops rolling electric energy. This may lead to temporary economic or financial losses. To avoid this, you must specify the resource collector and its components, as well as the time of the current and capital repairs.
The object of study is the collector designed for use on lines with a modernized infrastructure system of current collection.
Analyzed pantograph developed within the project "Development and The Organization of a new high-tech production of the main collector for use on lines with a modernized infrastructure of current collection system" (contract № 13.G25.31.0034 from "07" September 2010), implemented with the support of the Mini Ministry of Education and Science of the Russian Federation.
The paper presents a reliability design analysis of pantograph high-speed electric rolling stock. Defined reliability and elements with the smallest time between failures, the reliability function is constructed pantograph.
Keywords: reliability, network of contacts, the pantograph, the rejection, the block diagram.
Prof. G. K. Getman, D. Sc. (Tech.) recommended this article to be published
© Сидоров O.A. и др., 2013
