Увеличение срока службы бандажей колесных пар промышленных тепловозов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

УДК 629.4.054.2 П. БУЙНОСОВ

И. М. ПЫШНЫЙ

Уральский государственный университет путей сообщения, г. Екатеринбург

УВЕЛИЧЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ БАНДАЖЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕПЛОВОЗОВ

В статье приведены результаты сравнительного анализа изнашивания бандажей колесных пар тепловозов ТГ М4 и ТГ М23 депо Пермские Моторы и Мотовилиха ЗАО «Железнодорожник». Бандажи колесных пар промышленных тепловозов были обточены по профилям ГОСТ 11018—2000, черт. 2, ДМетИ типа ЛР. На основе методов теории вероятности и математической статистики исходя из критерия максимального ресурса бандажей колесных пар до обточки для тепловозов ТГМ4 депо Пермские Моторы эффективно применение профиля по ГОСТ 11018—2000, черт. 2, тогда как для бандажей колесных пар тепловозов ТГМ23 депо Мотовилиха — профиля ДМетИ типа ЛР.

Ключевые слова: тепловоз, колесная пара, бандаж, профиль, износ, контролируемые параметры, ресурс, оценка.

Промышленный железнодорожный транспорт (железнодорожный транспорт необщего пользования) — огромный организм, в настоящее время раздробленный по министерствам и ведомствам. Задача у промышленных предприятий одна — максимум прибыли, доходов от своей деятельности. Однако в стороне остаются вопросы, связанные с работой внутризаводского железнодорожного транспорта, особенно вопросы поддержания в надлежащем состоянии подвижного состава и пути.

Изучение этого вопроса требует большого внимания, так как в настоящее время в сфере промышленного железнодорожного транспорта остро стоит вопрос о повышении ресурса бандажей и гребней колесных пар тягового подвижного состава. Это связано с ухудшением содержания, качеством ремонта пути и подвижного состава, несовершенством существующих нормативов, по которым оценивается состояние ходовых частей. Необходимо учитывать, что особенностью эксплуатации промышленного транспорта на путях необщего пользования является: широкий диапазон грузонапряженности путей — от несколько тысяч до 20 — 25 млн т брутто в год; значительное число стрелочных переводов (в черной металлургии в среднем до 4 на 1 км); наличие большого числа криволинейных участков, в том числе малых радиусов; нагрузка от оси подвижного состава на путь от 200 до 560 кН. Как известно из опубликованных результатов исследований [1, 2], интенсивность бокового износа рельсов и гребней бандажей колесных пар тягового подвижного состава находится в квадратичной зависимости от этих нагрузок. Например, при увеличении нагрузки на ось в среднем со 300 до 400 кН износ возрастает в 2,7 раза. Характерно применение специальных конструкций путей в цехах и на эстакадах, значительная протяженность путей с заглублённым балластным слоем.

Общая протяженность железнодорожных путей необщего пользования шириной колеи 1520 мм к началу 2011 г. в Российской Федерации составляла свыше 120 тыс. км. Из них около 50% рельсы типа 1-а, Р38, Р43, другая половина — рельсы Р50, Р65 и более

тяжелые. Более тридцати тысяч предприятий имеют примыкание к железнодорожному транспорту общего пользования. Свыше 15% общей протяженности железнодорожных путей приходится на предприятия черной металлургии и почти 10% — на предприятия угольной промышленности.

Тяжелые условия эксплуатации железнодорожного транспорта необщего пользования все чаще приводят к тому, что у тепловозов встречаются так называемые «шальные» тележки, т. е. такие, у которых при движении по прямым участкам пути гребни одной или обеих колесных пар (двухосная тележка) все время прижаты к головке одной рельсовой нити. При движении по криволинейному участку пути, если кривизна рельсовой нити, к которой прижаты гребни, направлена в сторону оси колеи, такая «шальная» тележка воздействует на головку наружного рельса в поперечном горизонтальном направлении значительно сильнее, чем исправные («нешальные») тележки.

Выявлена следующая закономерность: если износ бандажа поверхности катания колесной пары локомотива мал (прокат менее 1 мм), а износ гребня одного бандажа колесной пары существенный (например, даже при обточке бандажей по профилю ДМетИ (типа ЛР) с номинальной толщиной гребня 30 мм и перед обточкой 23 мм, то есть при износе гребня 7 мм), то износ гребня другого бандажа одной колесной пары, как правило, ничтожно мал (менее 1 мм).

Первопричиной, почему тележка стала «шальной», является перекос колесных пар относительно оси пути, образующийся вследствие различия межчелюстных расстояний у правой и левой боковины рамы тележки, или вследствие отклонений в центровке букс, или вследствие неблагоприятных сочетаний и чрезмерных значений зазоров в буксовых узлах (между буксой и челюстями боковин вагона).

Если тележка становится «шальной» из-за перекоса колесных пар, то особенность ее поведения в процессе эксплуатации проявляется тем, что при движении по прямым участкам пути постоянно прижат к головке одного рельса гребень только одного бандажа

колесной пары. При этом гребень бандажа второй колесной пары (двухосная тележка) тележки может быть постоянно прижатым к головке второго рельса.

Вторая причина — это различие диаметров кругов катания бандажей даже на одной колесной паре, следующих на прямом участке пути по правой и левой по ходу рельсовой нити. При этом возможны варианты, когда при движении по прямым участкам пути к головке рельса постоянно прижат гребень только одного бандажа колесной пары, двух бандажей одной колесной пары к одному рельсу и двух бандажей колесных пар разных осей к разным рельсам. И понятны возможные последствия произвольного увеличения норматива на разность диаметров колесных пар при обточке с 1 до 10 мм, что эквивалентно соответствующему увеличению возвышения в одних кривых и снижению в других.

Третья причина, но трудно контролируемая величина — это эксцентриситет закрепления в плане хвостовика автосцепки относительно продольной оси кузова. Если поезд следует в режиме тяги, то воздействие на рельсы такой «шальной» тележки локомотива с учетом группового бокового воздействия бандажей колесных пар на головку рельса, обусловленного продольной растягивающей силой, недостаточно, чтобы вызвать отжатие головки рельсовой нити до сверхкритических размеров и провала колес с другой рельсовой нити даже при одновременном действии всех трех указанных ранее причин «шалости» тележки локомотива.

Совсем другое дело, когда поезд с такой «шальной» тележкой следует в режиме торможения, когда в поезде действует продольная сжимающая квази-статическая сила, обусловленная торможением поезда. Групповое боковое воздействие бандажей колесных пар локомотивов на верхнее строение пути, обусловленное сжатием поезда при его торможении, может быть снижено за счет модернизации автосцеп-ного устройства. Основное направление работ в этой области — устройство стабилизирующего шарнира в хвостовике автосцепки и увеличение мощности поглощающих аппаратов.

Ресурс колесных пар определяется периодичностью технического обслуживания ТО-4, на котором производится обточка бандажей с целью восстановления профиля, а также периодичности ремонтов ТР-3, на которых производится замена полностью изношенных бандажей.

Срок службы бандажей при прочих равных условиях во многом зависит от конфигурации профиля поверхности катания. В ЗАО «Железнодорожник» (г. Пермь) колесные пары тепловозов обтачиваются по двум профилям поверхности катания: ДМетИ (Днепропетровский металлургический институт) типа ЛР (локомотивный, ремонтный) и по ГОСТ 11018 — 2000, черт. 2. Парк приписки промышленных тепловозов ТГМ4 и ТГМ23 в локомотивном хозяйстве ЗАО «Железнодорожник» составляет 169 тепловозов ТГМ4 и ТГМ23 (из них ТГМ4 — 86 и ТГМ23 - 83).

Собранный и в дальнейшем обработанный статистический материал: на основе измерения контролируемых параметров (прокат и толщина гребня) колесных пар 23 тепловозовТГМ23 с конфигурацией профиля поверхности катания колесных пар по ГОСТ 11018-2000, черт. 2 и 30 тепловозов ТГМ4 с профилем бандажей ДМетИ типа ЛР (депо Пермские Моторы); 60 тепловозов ТГМ23 с конфигурацией профиля поверхности катания колесных пар по ГОСТ 11018-2000, черт. 2 и 56 тепловозов ТГМ4 с

профилем бандажей ДМетИ типа ЛР (депо Мотовилиха), позволил отразить картину нормального закона распределения, что говорит о достоверности обработанного статистического материала.

Замеры контролируемых параметров производимых на плановых осмотрах ТО-3 и ремонтах ТР-1 в ЗАО «Железнодорожник» с помощью электронного малогабаритного переносного прибора КИП-05 [3] разработанного в УрГУПС для автоматического измерения параметров бандажей колесных пар локомотивов. Относительная погрешность прибора КИП-

05 не превышает 2 %.

Для систематизации информации в работе были использованы специальные учетные формы, которые позволили накопить и обработать информацию

06 параметрических отказах бандажей колесных пар промышленных тепловозов ТГМ4 и ТГМ23 эксплуатирующихся в депо Пермские моторы и Мотовилиха. На основании полученной систематизированной информации о наработках между отказами были построены объединенные процессы восстановления, характеризующие весь период наблюдения между обточками бандажей колесных пар. При этом особенностью анализа информации об отказах в настоящей работе является то, что анализ проводился с момента начала эксплуатации тепловозов, т.е. информация о наработках между отказами усечена только справа (в основном моментом поступления тепловозов на ТО-4).

Полной (исчерпывающей) характеристикой случайной величины является закон ее распределения, т.е. соотношение, которое устанавливает связь между возможными значениями случайной величины и соответствующими им вероятностями.

Для проверки соответствия теоретического и статистического распределения случайной величины служат так называемые критерии согласия. Одним из наиболее распространенных критериев является критерий Пирсона или критерий «хи-квадрат» %2. Он позволяет определить вероятность того, что за счет случайных причин мера расхождения теоретического и статистического распределений будет больше, чем фактически наблюдаемая.

Завышение или занижение контролируемого параметра искажают зависимость его от пробега, так как скачкообразные изменения параметра, являясь внезапными отказами, нарушают процесс естественного износа. Поэтому, чтобы избежать искажений, необходимо исключить из общего числа исходных данных значения, которые резко отличаются от основной совокупности. Чтобы не отбросить вполне закономерные значения, а исключить именно те, которые имеют случайный характер, применяется критерий «грубых ошибок».

Границы, в свою очередь, выбираются так, чтобы вероятность превзойти их отвечала некоторому уровню значимости д %, т.е. вероятность того, что отброшенное число принадлежит данной совокупности, равна д %, а вероятность противоположной гипотезы о том, что отбрасываемое число случайно в данной выборке, Р = 1 — д.

При д = 0,3 %, вероятность Р = 99,7 %, что для практических расчетов обеспечивает необходимую точность.

Критические границы определяются по правилу 3<г, т.е. отрезок т. + 3 ст. считается участком практически возможных значений параметра.

Среднее значение контролируемого параметра X в .-ом сечении

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

1/^ X Х( ], ¡=1

(1)

где ^ — число значений контролируемого параметра на замер с данным номером 1 (в 1-ом сечении); Х( — контролируемый параметр в 1-ом сечении.

Среднеквадратическое отклонение контролируемого параметра

(2)

где т(— среднее значение контролируемого параметра X в 1-ом сечении.

Исследованиями было доказано, что контролируемые параметры бандажей колесных пар локомотивов хорошо описываются нормальным законом, плотность распределения которого

ДХ) = ■

1

с(1:)л/2р

ехр

[Х(Ц - шх(1)]2 2ст|(1)

(3)

износа, которая на длительное время остается практически постоянной.

Зависимости величины проката и изменение толщины гребня от пробега можно определить с помощью методов регрессионного анализа, который позволил выявить основные закономерности износа. Эти зависимости были аппроксимированы линейными функциями

X = А + ВЬ,

(4)

где Х — значение контролируемого параметра (прокат, износ гребней бандажей); А — величина контролируемого параметра на начало рассмотрения; В — интенсивность нарастания проката, уменьшение толщины гребня бандажей; Ь — пробег.

В этом случае оценка полного ресурса Т при известном значении В производится решением уравнения

(1) при Х = Хшах'

т = Хшах - А В

(5)

где тх — математическое ожидание контролируемого параметра; стх — среднеквадратическое отклонение контролируемого параметра; X — текущее значение контролируемого параметра.

Для того чтобы осуществлять прогнозирование процесса изнашивания деталей и определить их ресурс, необходимо построить аналитические зависимости числовых характеристик среднего значения тх и среднеквадатического отклонения сгх от пробега [4].

На практике замеры значений контролируемых параметров изнашиваемых деталей производят не чаще, чем на ТР-1. Однако период приработки после восстановления бандажей на ремонте ТР-3 заканчивается уже к первому ТР-1. Кроме того, допуски на значения контролируемых параметров Мдоп устанавливаются с таким расчетом, чтобы предупредить наступление периода усиленного изнашивания. Поэтому полученные значения контролируемых параметров представляют только второй участок — период нормальной эксплуатации, где зависимость контролируемых параметров от пробега близка к линейной. Об этом свидетельствует также анализ полей корреляции числовых характеристик контролируемых параметров.

При проведении сравнительного анализа изнашивания бацдажей в ЗАО «Железнодорожник» было выявлено, что износ элементов пары «колесо — рельс» отражает приработочный период, нормальную работу и старение — интенсивный износ. С помощью стратегии ремонтов (переточек) колес попадание их в третий этап — старение, как правило, не допускается. Однако специфика работы колесной пары промышленного тепловоза такова, что при одном фиксированном элементе пары, второй — всегда переменный. Не включая в рассмотрение изменения, происходящие в поверхностном слое элементов колесной пары (наклеп, раскат и др.), указанный факт должен приводить к регулярной смене этапов: приработка — нормальная работа. В этом случае интенсивность износа рабочих поверхностей значительно уменьшается и для этого интервала становится практически постоянной. В этих условиях происходят благоприятные изменения в поверхностном слое элементов пары: раскат, наклеп, шлифовка, что в некоторый момент времени заметно уменьшает интенсивность

Величина предельного износа Хшах определяется по условию прочности бандажей, требований нормативно-технической документации или исходя из требований безопасности [5].

На основании выполненных расчетов при помощи специализированных программ 8ТАТ18Т1СА и ЗРЗБ построены зависимости среднего значения и среднеквадратического отклонения от пробега проката и износа гребня бандажей колесных пар тепловозов ТГМ4 и ТГМ23 двух локомотивных депо Пермские Моторы и Мотовилиха приписки ЗАО «Железнодорожник».

В качестве примера зависимости среднего значения проката бандажей колесных пар от пробега тепловозов ТГМ4 Пермские Моторы, обточенных по профилю ГОСТ 11018 — 2000, черт.2 и ДМетИ типа ЛР показаны на рис. 1 и 2.

Результаты расчета коэффициентов уравнений регрессий контролируемых параметров бандажей колесных пар тепловозов ТГМ4 и ТГМ23 сведены в табл. 1, в которой профиль ДМетИ типа ЛР — «ДМетИ», а ГОСТ 11018-2000, черт. 2 - «ГОСТ».

Значения всех коэффициентов корреляции составляют 0,757-0,988, что свидетельствует об адекватности линейной аппроксимации, то есть о достаточно тесной линейной связи контролируемых параметров с величиной пробега Ь в двух локомотивных депо ЗАО «Железнодорожник».

Выполненный анализ полученных данных (табл. 1) показал:

1) интенсивность нарастания проката (естественный износ) бандажей, обточенных по профилю ДМетИ типа ЛР в сравнении с колесными парами имеющими конфигурацию профиля поверхности катания по ГОСТ 11018-2000, черт. 2:

— в депо Пермские Моторы увеличилось на 20 % (с 0,161 до 0,194 мм/104 км);

— в депо Мотовилиха уменьшилась в 2,6 раза (с 0,346 до 0,131 мм/104 км).

2) интенсивность уменьшения толщины гребней бандажей колесных пар, обточенных по профилю ДМетИ типа ЛР в сравнении с профилем обточенных по ГОСТ 11018-2000, черт. 2:

— в депо Пермские Моторы уменьшилась в 2 раза (с 0,332 до 0,167 мм/104 км);

— в депо Мотовилиха увеличилась на 65 % (с 0,126 до 0,208 мм/104 км).

N

ш

Результаты расчета коэффициентов уравнений регрессии среднего и среднеквадратического отклонения параметров колесных пар

Контролируемый параметр Локомотивное депо, серия тепловоза Объем выборки, N Профиль Зависимость Коэффициенты уравнений регрессии, X = А + ВЬ Коэффициент корреляции, 8 й 5 32 те, ни гР 0 < 98%-ный ресурс бандажей до обточки, тыс.км

А, мм В, мм/104 км

Прокат бандажей Пермские Моторы ТГМ4 572 ГОСТ МХ(Ц 0,190 0,161 0,931 0,0248 167

ах(!) 0,098 0,187 0,883 0,0622

ДМетИ МХ(Ц 0,027 0,194 0,988 0,0016 189

СТх(Ь) 0,144 0,129 0,887 0,0083

Мотовилиха ТГМ23 480 ГОСТ МХ(Ц 0,191 0,346 0,963 0,0678 137

СТх(Ь) 0,528 0,081 0,935 0,0069

ДМетИ МХ(Ц 0,971 0,131 0,892 0,0231 305

СТх(Ь) 0,904 0,022 0,780 0,0017

Износ гребней бандажей Пермские Моторы ТГМ4 498 ГОСТ МХ(Ц 3,993 0,332 0,757 0,5393 132

СТх(Ь) 1,322 0,116 0,965 0,0065

ДМетИ Мх(Ь) 3,410 0,167 0,971 0,1775 97

СТх(Ь) 1,329 0,283 0,936 0,0120

Мотовилиха ТГМ23 444 ГОСТ Мх(Ь) 2,015 0,126 0,941 0,0162 183

СТх(Ь) 0,887 0,109 0,739 0,0782

ДМетИ Мх(Ь) 1,944 0,208 0,904 0,0349 178

СТх(Ь) 1,239 0,078 0,868 0,0106

На основании полученных зависимостей М(Ь) и стх( Ь) можно прогнозировать процесс изнашивания и определить ресурс бандажей колесных пар тепловозов.

Как видно из рис. 3, с ростом наработки Ь увеличивается вероятность того, что значение контролируемого параметра выйдет за пределы установленного допуска Хдоп (заштрихованная часть площади, ограниченной кривой плотности распределения параметра).

Выход контролируемых параметров за установленный допуск классифицируется как отказ работы бандажа, предельный износ. Установленный допуск проката по кругу катания бандажей колесных пар тепловозов ТГМ4 и ТГМ23 — 7 мм, уменьшение толщины гребня (износ гребня) для тепловозов ТГМ4 и ТГМ23, бандажи колесных пар которых обточены по профилю ДМетИ типа ЛР — 5 мм, а имеющих конфигурацию профиля по ГОСТ 11018 — 2000, черт. 2 — 8 мм [5].

Выход контролируемого параметра за установленный допуск классифицируется как отказ детали, износ которой он характеризует. Таким образом, с увеличением наработки Ь возрастает вероятность отказа детали О и, соответственно, уменьшается вероятность безотказной работы детали Р.

Наработка, при которой вероятность безотказной работы детали равна заданному значению у =

= (1 — О) 100 %, называется гамма-процентным ресурсом Ьу. Значение функции распределения ресурса при фиксированной наработке Ь( определяется как:

а

Р(ц = | Цх^ (5)

ь

где а и Ь — интервал изменения величины контролируемого параметра выходящей за установленный допуск.

По известной функции распределения ресурса Р(Ь), задаваясь требуемым уровнем вероятности безотказной работы у, выраженным в процентах, определены соответствующий гамма-процентный ресурс колесных пар тепловозов ТГМ4 и ТГМ23 с различной конфигурацией профилей поверхности катания. Если производить восстановление изношенного бандажа, его замену при наработке (пробеге), не превышающей 98 %-ного ресурса (Р = 0,02), то вероятность отказа бандажа в межремонтном периоде не превысит 2 % и отклонение межремонтного пробега от установленной величины также окажется в пределах ±2 %, то есть находится в соответствии с относительной погрешностью прибора КИП-05. Поэтому целесообразно ограничить межремонтные пробеги 98 %-ным ресурсом.

Результаты расчета 98 %-ного ресурса бандажей колесных пар до обточки приведены в табл. 1 и на рис. 4.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

Рис. 1. Зависимость от наработки среднего значения проката бандажей колесных пар от пробега тепловозов ТГМ4 депо Пермские Моторы, обточенных по профилю ГОСТ 11018-2000, черт. 2

фиксированной наработке Ь для увеличивающегося контролируемого параметра

Ресурс до обточки бандажей колесных пар (см. рис. 4), обточенных по профилю ДМетИ типа ЛР по сравнению с профилем по ГОСТ 11018 — 2000, черт. 2 уменьшился в депо Пермские Моторы (тепловозы ТГМ4) на 36% (с 132 до 97 тыс. км), тогда как в депо Мотовилиха (тепловозы ТГМ23) при переходе на профиль ДМетИ типа ЛР — увеличился на 30% (с 137 до 178 тыс. км).

Таким образом, исходя из критерия максимального ресурса бандажей колесных пар до обточки для тепловозов ТГМ4 депо Пермские Моторы наиболее эффективной мерой является применение конфигурации профиля по ГОСТ 11018 — 2000, черт. 2, тогда как для бандажей колесных пар тепловозов ТГМ23 депо Мотовилиха — профиля ДМетИ типа ЛР.

Библиографический список

Рис. 2. Зависимость от наработки среднего значения проката бандажей колесных пар тепловозов ТГМ4 депо Пермские Моторы, обточенных по профилю ДМетИ типа ЛР

И 140

1 100

я 80 га О

£60

ТГМ4

Серия тепловоза

ТГМ23

Рис. 4. 98%-ный ресурс до обточки бандажей колесных пар тепловозов ТГМ4 и ТГМ23:

■

- профиль ГОСТ 11018-2000, черт. 2 - профиль ДМетИ типа ЛР.

колесных пар / А П. Буйносов // Транспорт Урала. — 2010. — № 3 (26). - С. 64-68.

4. Буйносов, А. П. Методы повышения ресурса колесных пар тягового подвижного состава : монография / А. П. Буйносов. — М. : ГОУ «УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте, 2010. — 244 с.

5. Инструкция по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм. С изменениями и дополнениями, утвержденными указанием МПС России от 23.08.2000 г., № К-2273у: ЦТ-329. Утв. 14.06.1995. — М. : МПС РФ, 1995. — 48 с.

1. Буйносов, А. П. Основные причины интенсивного износа бандажей колесных пар подвижного состава и методы их устранения / А. П. Буйносов. — Екатеринбург : Изд-во УрГУПС, 2009. — 224 с.

2. Буйносов, А. П. Выбор оптимального остаточного проката бандажей колесных пар электровозов ВЛ11 / А. П. Буйносов // Транспорт Урала. — 2010. — № 2 (25). — С. 45 — 47.

3. Буйносов, А. П. Разработка и аппаратная реализация прибора для измерения геометрических параметров бандажей

БУЙНОСОВ Александр Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрическая тяга». ПЫШНЫЙ Игорь Михайлович, аспирант кафедры «Электрическая тяга».

Адрес для перписки: е-таіі: byinosov@mail.ru

Статья поступила в редакцию 23.05.2011 г.

©А. П. Буйносов, И. М. Пышный