Основы технического
 Скачать 4.71 Mb.
|
|
Глава 5. Показатели надежности вагонов 5.1. Особенности оценки показателей надежности вагонов Система технического обслуживания и ремонта вагонов связана с пока- зателями их надежности, которые определяют вероятность состояния и ха- рактеристики переходов из одного состояния в другое. Поэтому для форми- рования системы технического обслуживания вагонов существенное значе- ние имеет оценка численных значений показателей надежности. Это понятие включает выбор единичных и комплексных показателей свойств, характери- зующих надежность, определение и нормирование их численных значений. Задачи выбора и оценки показателей надежности вагонов включают: - технико-экономическую характеристику вагонов (эффективность их экс- плуатации) – затраты ресурсов на изготовление, ремонт и обслуживание, включаемые в себестоимость перевозок; - организацию системы технического обслуживания и ремонта вагонов; - разработку эксплуатационных требований к конструкции новых вагонов и модернизации морально устаревших; - сравнение показателей работы служб вагонного хозяйства дорог и вагонных депо. Оценка показателей надежности вагонов выполняется научно- исследовательских институтом железнодорожного транспорта. В проектно- конструкторском бюро ЦВ есть отдел надежности вагонов. Оценка надежности грузовых вагонов имеет особенности: - большой срок службы вагонов (20 – 40 лет); - эксплуатацию вагонов на сети дорог без приписки к конкретным депо; - обезличку основных элементов вагонов в процессе ремонта. За период большого срока службы существенно меняются условия экс- плуатации вагонов, а обезличка основных узлов (за исключением рам теле- жек) усложняет расчет численных значений показателей. Поэтому натурное обследование вагонов для сбора данных о надежно- сти вагонов производят по группам, в зависимости от срока службы после постройки или предыдущего планового ремонта, а также по основным узлам: кузов, автосцепка, тележка, колесные пары и т.д. Оценка надежности вагонов позволяет получить надежные данные, выявить тенденции и определить ме- тоды прогнозирования. В процессе сбора и обработки информации о надежности основными исходными данными являются данные об отказах и наработке вагонов, а также о причинах отказов. В качестве основного измерителя наработки используют пробег ваго- нов в вагоно-километрах. Отказом вагона в практике считается поступление его в текущий не- плановый (отцепочный ремонт). В используемых документах учета и отчет- 97 ности (уведомление об отцепке вагона ф. ВУ-23, книга нумерного учета ис- правных вагонов ф. ВУ-31, уведомление о выпуске вагона из ремонта ф. ВУ-36) содержится подробная информация о вагоне и причинах отцепки. На- работку определяют по времени эксплуатации вагонов и учетным данным о годовом пробеге вагонных разных типов. Классификация отказов вагонов приведена в табл. 5.1. Таблица 5.1 Классификация отказов вагонов Группы отказов Виды отказов 1. По месту зарождения 1.1.Конструкци- онные 1.2.Производ- ственные 1.3.Эксплуатаци- онные 2. По сроку службы ва- гона и его основных уз- лов 2.1.Приработоч- ные 2.2. Случайные 2.3. Износовые и усталостные 3. По продолжительно- сти развития 3.1. Внезапные 3.2. Постепенные 4. По связи между отка- зами 4.1. Независимые 4.2. Зависимые 5. По последствиям 5.1. Текущий без- отцепочный ре- монт 5.2. Текущий от- цепочный ре- монт 5.3. Нарушения безопасности движения Под конструкционными понимают отказы, связанные с конструктив- ными недостатками вагона или несоответствием применяемых материалов эксплуатационным требованиям. Например, деревянная обшивка полуваго- нов служила причиной большого количества их отказов из-за неисправностей обшивки, вследствие чего проведена модернизация – замена деревянной об- шивки на металлическую. Под производственными понимают отказы, яв- ляющиеся следствием нарушений технологии изготовления и ремонта. На- пример, нарушение режимов сварочных работ является причиной трещин в сварных соединениях. Эксплуатационными считают отказы, причинами которых являются эксплуатационные воздействия, преимущественно – ударные нагрузки в ре- зультате нарушений правил погрузки, выгрузки и маневровых работ. Приработочные отказы после перехода на роликовые подшипники в целом для вагона, выражены нечетко и представляют в основном результаты нарушения технологии ремонта. Случайные отказы имеют место в основном в период нормальной экс- плуатации вагона, т.е. после приработки элементов и до наступления влияния износовых и усталостных явлений. Причиной этих отказов являются, глав- ным образом, нарушения правил эксплуатации. 98 Отказы, причиной которых являются износы и усталость металла, ха- рактерны для деталей с большим сроком службы, а также возможны из-за нарушений технологических режимов в процессе ремонта или неправильной сборки. Внезапными считают отказы, развивающиеся в течение короткого периода, например, при ударе. Независимыми называют такие отказы дета- лей, которые не приводят к отказу вагона в целом или других деталей вагона. При наступлении отказа деталь или сборочная единица вагона перехо- дит в неработоспособное или предельное состояние. В большинстве случаев в результате отказа детали или узла вагон переходит в неработоспособное состояние (не может следовать в составе поезда, не может быть подан под погрузку). Восстановление надежности возможно в процессе текущего безотце- почного ремонта за время технического обслуживания или с отцепкой в те- кущий отцепочный ремонт. В случае больших повреждений кузова при нарушениях безопасности движения для восстановления надежности может потребоваться деповской или капитальный ремонт. Для практических целей выбирают и используют небольшое количест- во показателей трех видов: - единичные, т.е. характеризующие одно из свойств надежности; - комплексные, характеризующие не менее двух свойств; - обобщающие технико-экономические, характеризующие сравнитель- ную эффективность вагонов. В качестве единичных показателей безотказности используют следую- щие: - вероятность безотказной работы, т.е. вероятность, что в пределах за- данной наработки отказ не возникает; - наработка на отказ (средняя наработка на отказ) – отношение нара- ботки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа отка- зов в течение наработки; - параметр потока отказов – отношение среднего числа отказов восста- навливаемого объекта за произвольно малую наработку к значению наработ- ки; - интенсивность отказов – условная плотность вероятности отказа не- восстанавливаемого объекта. Вероятность безотказной работы определяется в предположении, что в начальный момент времени исчисления конкретной заданной наработки объ- ект был работоспособен. Согласно ГОСТ 27.002 [2] вероятность безотказной работы Р (t 0 ) в интервале от 0 до t 0 определяется по формуле Р (t 0 ) = 1 – F (t 0 ) , (5.1) где F (t 0 ) – функция распределения наработки до отказа. 99 Этот показатель удобно использовать для определения показателей на- дежности вагонов на гарантийных участках. За единицу наработки принима- ют вагоно-километры, которые можно пересчитать в вагоно-часы. Можно использовать также показатель «вероятность отказа», т.е. веро- ятность того, что вагон откажет хотя бы один раз в течение заданной нара- ботки. Вероятность отказа Q(t 0 ) в интервале от 0 до t 0 определяется из вы- ражения Q(t 0 ) = F (t 0 ) = 1 - Р (t 0 ) . (5.2) Вероятность безотказной работы может быть определена для состава поезда за наработку поезда в поездо-километрах. В практике численную оценку Р (t 0 ) определяют из выражения [15] 0 0 0 ) ( ) ( € N t n N t Р − = , (5.3) где N 0 – число наблюдаемых вагонов в начале испытания; n(t) – число вагонов, отказавших за время t Средняя наработка на отказ l(t) – отношение наработки восстанавли- ваемого объекта (вагона и его частей) к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки. [ ] ) ( ) ( ) ( t r М t L t l = , (5.4) где L(t) – наработка вагона за период t (пробег в вагоно-километрах); М – символ математического ожидания; r(t) – число отказов за время t Параметр потока отказов используют для оценки безотказности вос- станавливаемых объектов. Для таких объектов характерен поток отказов на оси непрерывного времени. Для характеристики потока используют ведущую функцию Ω(t) потока – математическое ожидание числа отказов за время t. Ω(t) = [ ] ) (t r М , где М – символ математического ожидания; r(t) – число отказов за время t. Параметр потока отказов ω(t) характеризует среднее число отказов, ожидаемое в малом интервале времени ( Δ t → 0 ). 100 [ ] [ ] t t r M t t r M t t Δ − Δ + = → Δ ) ( ) ( lim ) ( 0 ω (5.5) В практике широко используют показатель безотказности – среднее количество отказов, приходящееся на единицу наработки ) ( ) ( ) ( t L t n t = ω , (5.6) где n(t) – количество отказов вагона за период t; L(t) – наработка вагона в календарный период t в вагоно-километрах или вагоно-часах. Для сравнительной оценки состояния безопасности движения в вагон- ном хозяйстве используется показатель: количество нарушений безопасно- сти, отнесенное к общему пробегу вагонов (в миллиардах вагоно-км). В этом случае величина показателя является обратной величиной сред- ней наработки на отказ. Интенсивность отказов определяют из выражения ) ( ) ( ) ( t P t f t = λ , (5.7) где ) (t f – плотность распределения наработки на отказ; ) (t P – вероятность безотказной работы за период t Методика определения ) (t λ для практических приложений приведена ниже. В качестве показателей долговечности в основном используют сле- дующие показатели: - средний срок службы объекта – математическое ожидание срока службы; - гамма-процентный ресурс – наработка, в течение которой объект не достигает предельного состояния с вероятностью γ %. Техническим ресурсом считают наработку изделия от начала до пере- хода в предельное (невосстанавливаемое) состояние. Средний срок службы вагона определяется по формуле [ ] ∫ ∫ ∞ ∞ ∞ ∫ − = = = 0 0 0 ) ( 1 ) ( ) ( dT T F T ТdF dT T Тf Т , (5.8) где Т – средний срок службы; 101 F(Т) – функция распределения срока службы; f(Т) – плотность распределения срока службы. В практике средний срок службы вагона или его узла Т обычно опре- деляется как среднее арифметическое для достаточно большого количества объектов N Т Т N i ∑ = 1 , где N – наблюдаемое число объектов; Т i – срок службы i –го объекта из общего количества N Ошибка может быть оценена по методу расчета ошибки от замены ве- роятности частостью. Расчетный средний срок службы сравнивают с назначенным сроком службы в процессе оценки надежности вагона и его частей. Гамма-процентный ресурс используют для оценки надежности некото- рых изделий, замена которых производится после выработки определенного ресурса, независимо от технического состояния. К числу таких изделий в ва- гонном хозяйстве развитых стран относят осевые подшипники качения. По- нятие «гамма-процентный ресурс» означает наработку, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью γ , вы- раженной в процентах. Например, для вагонных осевых подшипников каче- ния для грузовых вагонов предполагалось установить наработку 1, 2 миллио- на вагоно-километров общего пробега, в течение которой 90% подшипников не достигнет предельного состояния (не произойдет отказа). Этот показатель определяют из уравнения [2] 100 0 ) ( 1 ) ( 1 γ γ γ = − = − ∫ t dt t f t F , (5.9) где t γ – гамма - процентный ресурс; f(t) – плотность распределения ресурса. Используемые показатели ремонтопригодности: - вероятность восстановления работоспособного состояния – вероят- ность, что время восстановления не превысит заданного; - среднее время восстановления работоспособного состояния. Недостатком используемых показателей ремонтопригодности приме- нительно к вагонам является то, что эти показатели никогда не определялись при проектировании вагонов. Не учтена возможность механизации работ по техническому обслуживанию. Например, часто выполняемая в процессе ТОВ 102 операция – смена тормозной колодки – выполняется вручную, примитивны- ми инструментами (молоток, ломик) в крайне неудобном для работы месте. Для возможности механизации этой операции необходимо изменение конст- рукции тележки и способы крепления колодки. Численные показатели, характеризующие работу вагона, т.е. безотказ- ность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость связаны с числен- ными характеристиками состояний: работоспособного и неработоспособного (включая предельное восстанавливаемое). Схема связи состояний (см. рис. 2.7) и свойств надежности вагона по времени за срок службы вагона приведена на рис. 5.1 и в табл. 5.2. Рис. 5.1. Схема связи состояний и свойств вагона Суммарное время: Σ t p – работы; Σ t Т – перерывов на ТО, Σ t n – перерывов на плановый ремонт, Σ t х – хранения и транспортировки; Σ t 0 – восстановления работоспособного состояния после отказов; S i – состояние вагона (см. рис. 2.7) 103 Таблица 5.2 Связь свойств надежности и состояний вагона за срок службы Свойство Показатели свойств (обозна- чения на рис. 5.1) или время, учитываемое в расчете пока- зателей Конечное состояние Долговечность Срок службы - Т сл Предельное, невосстанав- ливаемое Непрерывное время работы - t pi Работоспособное или не- работоспособное Наработка до отказа (перво- го) – Т 01 Неработоспособное (пре- дельное восстанавливае- мое) Безотказность Наработка между отказами – Т 0 i Неработоспособное (пре- дельное восстанавливае- мое) Перерывы в работе для тех- нического обслуживания – t Т i Работоспособное или не- работоспособное Перерывы для планового ремонта – t ni Работоспособное Ремонтопригодность Время восстановления рабо- тоспособного состояния – t оi Работоспособное Сохраняемость Время хранения (нахожде- ния вагона в резерве) или транспортировки – t хi Работоспособное Количество случаев t оi , t Т i , t ni и их продолжительность, а также нара- ботка вагона Σ t р являются исходными данными для расчета вероятности со- стояний, интенсивности перехода (см. рис. 2.7) и для расчета показателей на- дежности. Для оценки эксплуатационной надежности вагонов и их узлов (т.е. в процессе их эксплуатации) обычно выбирают 2 – 4 показателя, чаще всего наработку на отказ и параметр потока отказов. Для оценки надежности вагонов используют следующие комплексные показатели [2]. Коэффициент готовности – вероятность, что вагон откажется работо- способным в произвольный момент времени В о о Г Т Т Т К + = , (5.10) 104 где Т о – наработка на отказ; Т В – среднее время восстановления; Коэффициент технического использования – отношение математиче- ского ожидания времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к этому периоду, включающему простой для технического обслуживания и ремонта ∑ ∑ ∑ + = Т Тi Т pi Т pi Т t t t К 1 1 1 , (5.11) где Т – период эксплуатации; ∑ Т pi t 1 – период нахождения в работоспособном состоянии между ремонтами и техническим обслуживанием за период Т ; ∑ Т Тi t 1 – продолжительность технического обслуживания и ремонта за период Т В качестве технико-экономического показателя эффективности исполь- зования вагона можно принять средние затраты на изготовление, ремонт и обслуживание вагона, отнесенные к его полезной работе в т-км нетто за срок службы ∑ ∑ ∑ + + + = Рl TC C C С С n m Т di ki Н о 1 1 , (5.12) где С н – стоимость изготовления; ki C , di C – расходы на i -й капитальный и j -й деповской ремонты соответственно; n , m – количество капитальных и деповских ремонтов за период Т соответственно; С Т – годовая стоимость технического обслуживания; Т – срок службы; ∑ Рl – суммарная работа вагона за срок службы в тонно-км нетто. Анализ, выполненный по полувагонам, показал, что расходы в среднем за срок службы полувагона, превышают начальную стоимость вагона. В со- 105 временных условиях также непрерывно возрастает стоимость планового ре- монта за счет использования средств неразрушающего контроля, ужесточе- ния норм при выпуске вагонов из ремонта, работ по модернизации тележек грузовых вагонов и т.д. Поэтому в перспективе нуждается в пересмотре кон- цепция оценки соответствия конструкции вагонов и системы их технического обслуживания и ремонта условиям эксплуатации. Некоторую часть задач по оценке надежности вагонов приходиться решать инженерам служб вагонного хозяйства, вагонных отделов отделений дорог и вагонных депо. К ним относятся задачи, связанные с обеспечением безопасности движения в случае существенного изменения условий эксплуа- тации вагонов: увеличения массы поездов и осевой нагрузки; изменения дли- ны гарантийных участков и участков безостановочного движения поездов; изменения технологии технического обслуживания и ремонта вагонов. Главной задачей технического обслуживания вагонов на ПТО является обеспечение высокой вероятности безотказного следования вагонов по га- рантийному участку. На рис. 5.2 приведена схема гарантийных участков для двух соседних ПТО. Длина участка l г км. Рис. 5.2. Схема гарантийных участков ПТО. Расчетные показатели: ПТО1 (в нечетном направлении) Р 1 – вероят- ность безотказной работы вагонов; ω 1 – параметр потока отказов; 1 t – средняя наработка на отказ; тоже ПТО2 (в четном направлении) Р 2 , ω 1 , 2 t – соответственно Наработка каждого вагона, проследовавшего через участок - l Г вагоно- км или t Г – вагоно-часы 106 у Г Г V l t = , вагоно-ч , где V у – участковая скорость, км/ч. Каждый пункт обеспечивает в заданном направлении (нечетном или четном) какую-то вероятность безотказной работы вагонов Р 1 и Р 2 , параметр потока отказов вагонов ω 1 , ω 2 и наработку вагона на отказ 1 t , 2 t . Эти показа- тели сравнительно легко могут быть рассчитаны по данным учета о наработ- ке вагонов и количестве отказов вагонов на участке в каждом направлении. Более сложным является определение перечисленных показателей как функ- ции наработки. В этом случае необходимо знать распределение случайной величины – наработки на отказ. Математические методы оценки показателей надежности с использованием распределения наработки на отказ приведены в следующем разделе. 5.2. Математические методы оценки показателей надежности Известно, что срок службы сложных технических изделий, в том числе вагона, включает три периода: приработки - Т 1 , нормальной эксплуатации - Т 2 и влияния износов и усталостных явлений в металле – Т 3 . В период Т 2 интенсивность или параметр потока отказов является постоянной величиной, так как преобладают случайные отказы (рис. 5.3). Для вагонов период Т 1 по- сле перевода на осевые роликовые подшипники, выражен нечетко. Период износовых и усталостных отказов для вагона также выражен нечетко вследствие следующих причин: – срок службы кузова вагона больше, чем остальных частей вагона; – узлы и детали вагона, кроме кузова и рамы тележек, обезличены и перемешиваются в процессе ремонта. Поэтому более правильно считать показатели надежности за длитель- ный срок службы отдельно для узлов и деталей. В то же время за короткие периоды работы (см.рис. 5.1) необходимо определять показатели надежности в целом для вагона. В обоих случаях, в целом для вагона, для его узлов и де- талей единицей наработки остаются вагоно-ч, или вагоно-км. 107 Рис. 5.3. Интенсивность отказов, как функция времени эксплуатации вагона Т с – срок службы, t – наработка на отказ Для вывода формулы функции распределения наработки до отказа ис- пользуют следующие исходные данные: N – количество эксплуатируемых вагонов; t – период эксплуатации; n o – количество отказов вагонов из множества N за период t ; n u – условное количество вагонов, не имевших отказов за период t : n u = N - n o Вероятность отказа за период t N n t o = ) ( Q (5.14) Вероятность безотказной работы: N n N n t P o u − = = 1 ) ( (5.15) 108 Дифференцируя обе части по t, получим dt dn N dt dP o ⋅ − = 1 и dt dn N dt d o ⋅ = 1 Q , откуда dt d N dt dP N dt dn o Q = − = . (5.16) Поделив обе части уравнений (5.16) на n u , получим dt d n N dt dP n N dt dn n u u o u Q 1 ⋅ = ⋅ − = ⋅ или dt d P dt dP P dt dn n o u Q 1 1 1 ⋅ = ⋅ − = ⋅ В соответствии с определением, сделанным выше (см раздел 2.4), t N t n c o Δ Δ = ) ( λ , (5.17) где N c – среднее количество объектов, эксплуатировавшихся в течение Δ t При Δ t → 0 будет n 0 ( Δ t ) = d n 0 , N c → n u λ = ⋅ dt dn n o u 1 (5.18) или dt d P dt dP P Q 1 1 ⋅ = ⋅ − = λ (5.19) Это общее выражение интенсивности отказов для любого вида распре- деления. Из выражения и (5.16) следует 109 ) ( Q t f dt d dt dP = = − , (5.20) где f(t ) – плотность вероятности отказов или дифференциальная функция распределения. Тогда ) ( Q 1 ) ( ) ( ) ( t t f t P t f − = = λ (5.21) Из (5.20) следует dt t f d ) ( Q = , dt t f t t ) ( ) ( Q 0 ∫ = , или dt t f t P t ) ( 1 ) ( 0 ∫ − = (5.22) Величина dt t f t t ) ( ) ( Q 0 ∫ = представляет интегральную функцию рас- пределения вероятности отказа. Графическая интерпретация дифференциальной и интегральной функ- ций распределения наработки до отказа приведена на рис. 5.4. Дифференци- альная функция или вероятность в интервале Δ t , отнесенная к ширине интер- вала ) ( ) ( t f t t t t t Вер i i → Δ Δ + < < ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ; ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ Δ + < < ) ( t t t t Вер i i t t f Δ = ) ( ; dt t f t t f ) ( ) ( lim = Δ (5.23) Δ t → 0 Интегральная функция распределения вероятности отказа в пределах 0 – t i представляет площадь под кривой f(t ) (заштриховано). 110 ) ( ) ( i t t Вер t F < = = dt t f i t ) ( 0 ∫ dt t f i t ) ( 1 ∫ ∞ − = (5.24) Площадь под кривой f(t ) в пределах от 0 до ∞ = ) (t F 1 ) ( 0 = ∫ ∞ dt t f Рис. 5.4. Графики функций распределения а) дифференциальной; б) интегральной: вероятности безотказной работы – Р(t) и вероятности отказа – Q(t) ; t м – наработка, соответствующая модальному значению с вероятностью р(t м ) ; t – среднее значение наработки Интегральная функция распределения вероятности отказа в пределах от 0 до t i = < ) ( Q i t t dt t f i t ) ( 0 ∫ (5.25) Интегральная функция распределения вероятности безотказной работы в пределах от 0 до t i ) ( i t t Р < = dt t f i t ) ( 1 0 ∫ − (5.26) 111 На графике интегральной функции (см. рис. 5.4) каждой точке t i на оси 0 – t соответствует точка ) ( Q i t t < и ) ( i t t Р < на оси 0 – Р(t) , 0 – Q(t) Практический интерес представляет вероятность безотказной работы вагона в период нормальной эксплуатации (см. рис. 5.3), т.е. случай λ – const Исследованиями установлено, что в течение небольшой наработки, со- ответствующей времени движения вагонов по гарантийным участкам длиной до 600 км, распределение вероятности безотказной работы вагона аппрокси- мируется экспоненциальным (показательным) законом. Дифференциальная функция этого распределения f(t ) = 0 при t < 0 (5.27) f(t ) = λ е - λ t при t ≥ 0 Интегральная функция распределения отказов F(t ) = 0 при t < 0 (5.28) F(t ) =1-е - λ t при t ≥ 0 Вероятность безотказной работы Р(t ) = 1 при t ≤ 0 (5.29) Р(t ) = е - λ t при t > 0 Эти функции могут быть получены из общего выражения интенсивно- сти отказов dt dP P ⋅ − = 1 λ , откуда P dP dt − = λ P P dP dt t t ln 0 0 = − = ∫ ∫ λ , (5.30) следовательно , 112 Р(t ) = е - λ t (5.31) Q(t ) =1- е - λ t t t e e dt d dt dP t f λ λ λ − − = = = ) ( ) ( Вероятность безотказной работы за наработку от t 1 до t 2 2 1 ) ( 2 1 t t e e t t t Р λ λ − − − = < < (5.32) Экспоненциальное распределение существует в пределах от 0 до ∞ и имеет один постоянный параметр λ > 0. Для восстановления изделий в пределах малых значений n 0 ( Δ t) пара- метр потока отказов ω (t) ≈ λ(t) . Графики распределения приведены на рис. 5.5. Рис. 5.5. График функций экспоненциального распределения вероятности безотказной работы: а) дифференциальной; б) интегральной Для вагонов наработка t задается в часах или вагоно-километрах. Свойства экспоненциального распределения: - постоянная интенсивность отказов означает, что вероятность отказа не связана со сроком службы вагона; 113 - обратная величина интенсивности отказов – средняя наработка на от- каз; - экспоненциальное распределение отказов обычно имеет место для сложных устройств, в которых возможно большое количество отказов раз- личных элементов с различными интенсивностями; - если отказы элементов распределены по экспоненциальному закону, то отказы системы распределяются по экспоненциальному закону (для неза- висимых отказов), но не наоборот; - математическое ожидание t t М = = λ 1 ) ( , среднеквадратическое от- клонение λ σ 1 ) ( = t , коэффициент вариации υ = 1. Используя экспоненциальное распределение наработки на отказ, рас- считывают показатели безотказности вагона на гарантийных участках ПТО: вероятность безотказной работы и наработку на отказ. Для определения показателей долговечности: срока службы, гамма- процентного ресурса, используют нормальное распределение. Точнее в этот период действуют все факторы, определяющие случайные отказы, и появля- ются отказы, связанные с усталостью металла, которые, как это установлено, распределяются по нормальному закону. Характеристики нормального распределения – дифференциальная функция 2 2 2 ) ( 2 1 ) ( σ π σ Т Т e t f − − = , (5.33) интегральная функция 1 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( = − = − ∞ + ∞ − ∫ dT T F Т Т e σ π σ , (5.34) вероятность отказа dt T f T T i t i ) ( 1 ) Q( ∫ ∞ − = < , (5.35) вероятность безотказной работы dt T f T T i t i ) ( ) Р( ∫ ∞ = > , (5.36) 114 где Т – средний срок службы; σ – среднеквадратическое отклонение; Т – календарная продолжительность эксплуатации. Хотя теоретическое распределение существует в пределах от – ∞ до + ∞ , правомерно его использование в ограниченных пределах ( ± 3 σ - т.е. с учетом правила «трех сигм») и с нижним пределом, равным нулю. При этом площадь под кривой f(T) составит 0,997. Графики нормального распределения срока службы приведены на рис. 5.6. Рис. 5.6. Графики функции нормального распределения срока службы: а) дифференциальной; б) интегральной 115 Интеграл функции нормального распределения не выражается через известные элементарные функции, поэтому для определения функции на- дежности используют нормированную интегральную функцию (Лапласа). В практических расчетах удобно также использовать нормированную функцию плотности распределения. Для нормирования этих функций центр группирования Т переносят в начало координат распределения, т.е. принимают Т = 0 и выражают функ- ции в долях σ Нормированная дифференциальная функция 2 0 2 2 1 ) ( i Т e T − = π ϕ , (5.37) нормированная интегральная функция υ υ π d k Ф e T i 2 0 0 2 2 1 ) ( − = ∫ (5.38) Величина ) ( 0 T ϕ определена и приводится в таблицах. Для определения ) ( 0 i T ϕ выражают i T через коэффициент нормированного отклонения i k в до- лях σ (для Т = 0) σ i i Т k = (5.39) Значения ) ( 0 T ϕ в виде ) ( 0 k ϕ приведены в таблицах. Площадь под кривой f(T) в пределах от 0 и до i k определяют методом механических квадратур, т.е. измеряя площади в заданных пределах 0 – i k под кривой (вся площадь равна единице). Для заданного верхнего предела i Т величина i k определяется в виде σ T Т k i i − = (для T Т i > ) или σ i i Т T k − = (для T Т i < ) (Функция ) ( 0 k Ф приводится в таблицах обычно для половины площади под кривой распределения, в пределах от 0 до ∞ , т.е. ) ( 0 ∞ Ф = 0,5. Функция Лапласа четная и симметричная, т.е. 116 – ) ( 0 k Ф = ) ( 0 k Ф − ; ) ( 0 k Ф = – ) ( 0 k Ф Интенсивность отказов, в случае нормального распределения можно определить с использованием нормированной функции. По аналогии с общей формулой интенсивности отказов (5.20) для нор- мального распределения ) ( ) ( 0 T f T σ ϕ = , (5.40) тогда ) ( ) ( ) ( 0 Т Р Т Т σ ϕ λ = для Т = i Т ) ( ) ( ) ( 0 i i i k Ф Т Т σ ϕ λ = В качестве показателей ремонтопригодности в ГОСТ 27.002 приведе- ны: - вероятность, что время восстановления не превысит заданного; - среднее время восстановления. При использовании этих показателей для оценки надежности вагонов в случае ТО возникает формальное противоречие с основным понятием теории надежности, что при ТО надежность не восстанавливается. Это кажущееся противоречие, т.к. при подготовке состава вагонов к отправлению на гаран- тийный участок (то, что называют техническим обслуживанием) выполняют три вида работ: - непосредственно техническое обслуживание, т.е. регламентированные работы по регулировке, смазке, креплению деталей, опробованию автотормо- зов; - текущий безотцепочный ремонт вагонов – замену отказавших деталей за время, установленное для ТО; - выявление и отцепку в текущий ремонт вагонов в предельном или не- работоспособном состоянии. Объектом технического обслуживания является состав вагонов. Вероятность восстановления работоспособного состояния вагонов в со- ставе поезда определяет вероятность безотказного следования состава по га- рантийному участку. Экспериментально установлено, что для гарантийных участков длиной до 600 км распределение времени, необходимого для выполнения всех работ в составе, перечисленных выше при постоянном количестве рабочих, ап- проксимируется законом Эрланга [15]: дифференциальная функция 117 τ τ τ τ τ 2 4 ) ( − = e f при τ > 0 (5.41) 0 ) ( = τ f при τ ≤ 0 интегральная функция ) 2 1 ( 1 ) ( 2 τ τ τ τ τ τ i e i i F − + − = < при τ > 0 0 ) ( = τ F при τ ≤ 0 (5.42) Здесь τ – время обслуживания, τ – среднее время обслуживания. Удобнее считать этот показатель не по времени обслуживания, а по трудозатратам q = τ n p , где n p – количество рабочих (const). Если ввести коэффициент загрузки бригады β = q q , (5.43) можно получить окончательно (в безразмерной форме) β β β 2 4 ) ( − = e f , (5.44) i e i i F β β β β 2 ) 2 1 ( 1 ) ( − + − = < (5.45) Величина β обозначает отношение трудозатрат на ТО в конкретном со- ставе к средним. Если в числителе выражения (5.43) будет q oi = n pi ⋅ τ o , где n pi – количество рабочих в бригаде, обслуживающей состав на i -ом пункте; τ o – заданное время обслуживания; q oi – наибольшая трудоемкость ТО, которая может быть выполнена на i -ом ПТО, то 118 q q оi = β представляет отношение наибольших возможных трудозатрат на i -ом ПТО к среднему объему работ в составе. Графики функции распределения приведены на рис. 5.7. Рис. 5.7. Графики функции распределения трудозатрат на техническое обслуживание вагонов в составе : а) дифференциальной; б) интегральной 119 5.3. Способы улучшения показателей надежности вагонов Основными показателями надежности, характеризующими выполнение вагонами основных заданных функций (обеспечение безопасности движения, обеспечения сохранности грузов или комфорта пассажиров), являются пока- затели безотказности: наработки на отказ или среднее количество отказов на единицу общего пробега вагона, а также вероятность тяжелых последствий отказов. Анализ показывает, что более 80% нарушений безопасности движе- ния в поездной и маневровой работе, а также задержек поездов в пути следо- вания происходит вследствие отказов вагонов в пути следования. Например, количество брака по вагонному хозяйству на железных до- рогах в 2002 г. в процентах к общему количеству, по узлам вагонов составля- ет: - отцепки вагонов из-за перегрева букс – 57; - саморасцеп автосцепки – 5; - обрыв автосцепки (корпуса, тягового хомута, клина) – 2,9; - падение деталей вагонов на путь – 0,9; - сходы вагонов в поездах, вследствие неисправностей (в основном - износов) ходовых частей – 0,9; - сходы вагонов при маневровых перемещениях – 0,8; - изломы колес – 0,05; - изломы несущих литых деталей тележек (надрессорных балок и боко- вых рам) – 0,06; - изломы оси и шейки оси – 0,4; - обрыв хребтовой балки – 0,03. К числу причин, не связанных с отказом вагонов, относится отправление по- езда с перекрытыми концевыми кранами – 0,008%. Остальные причины брака – отцепка вагонов от поездов в пути следо- вания по различным техническим причинам, не вошедшим в перечень брака, и задержки поездов в пути следования на 1 час и более из-за неисправностей вагонов (вынужденные остановки для проверки технического состояния ва- гонов). Численная оценка вероятности тяжелых последствий (аварий, круше- ний) для определенного вида нарушений безопасности движения с целью сравнительного анализа опасности различных видов нарушений выполнена в разделе 4.3. Используемый в расчете безразмерный численный показатель определяется на основе статистических данных и представляет частость опасных последствий для конкретного вида нарушений безопасности движе- ния в форме произведения частостей: 1) отношения количества нарушений безопасности движения конкрет- ного вида к общему количеству нарушений всех видов за рассматриваемый период ( в долях единицы); 120 2) отношения количества случаев нарушений конкретного вида с опас- ными последствиями к общему количеству нарушений этого вида за дли- тельный период (в долях единицы). По результатам расчета выполнено ранжирование различных видов на- рушений безопасности движения по их опасности. 1) излом шейки оси из-за перегрева буксового узла - 24 ⋅10 -5 ; 2) излом несущих литых деталей тележки (надрессорной балки и боковой ра- мы) – 11,8 ⋅10 -5 ; 3) излом колеса - 9 ⋅10 -5 ; 4) обрыв автосцепки 2,4 ⋅10 -5 ; 5) падение деталей вагонов на путь (около 10 видов деталей) – 4,23 ⋅10 -5 ; 6) отправление поезда с перекрытыми кольцевыми кранами – 2,9 ⋅10 -5 Сходы вагонов в поездах относят или на хозяйство пути, или на вагон- ное. Практически во всех случаях схода имеются отклонения в содержании пути. По вагонному хозяйству указывают более 15 причин схода, в том числе из-за наезда на упавшие детали вагонов (двери, корпуса автосцепки, тормоз- ные колодки, плиты фитингового упора), а также из-за излома боковой рамы тележки, излома колеса, излома шейки оси, перекоса кузова и.т.д. Не доста- точно изучено одновременное влияние отступлений в содержании пути и из- носов частей вагона, не контролируемых в процессе технического обслужи- вания, а также не контролируемых документально некоторых действий ма- шиниста локомотива в процессе движения поезда по пути со сложным пла- ном и профилем. Показатели безотказности вагонов, определяющие эффективность их использования, а в конечном итоге экономические показатели вагонного хо- зяйства в процессе перевозок связаны со множеством факторов: - должны задаваться и определяться в процессе проектирования и про- изводства вагонов и их отдельных частей для определенных условий работы и проверятся длительными испытаниями в опытных составах; - зависят от полноты восстановления технического ресурса вагона в процессе планового ремонта; - могут улучшаться путем модернизации вагонов; - должны поддерживаться на заданном уровне в процессе технического обслуживания вагонов, включая замену отказавших или поврежденных дета- лей в процессе технического обслуживания и текущего безотцепочного и от- цепочного ремонта; а также за счет использования технических средств ди- агностики и систем слежения (мониторинга) в пути следования в поездах; - отказы отдельных деталей вагона служат причиной отказа вагона; - при увеличении длины и веса поездов ухудшаются показатели безот- казности состава поезда из-за большего количества вагонов в составе; - зависят от условий эксплуатации вагонов: скоростей движения, стати- стической нагрузки, механизации погрузки и выгрузки и т.д.; 121 - изменяются в процессе развития системы технического обслуживания вагонов, в частности, при удлинении гарантийных участков; - ухудшаются в результате старения вагонов (выработке технического ресурса). Основной задачей совершенствования системы технической эксплуа- тации грузовых вагонов считается обеспечение бесперебойной перевозочной работы, т.е. организация движения поездов без ограничения скорости движе- ния, без вынужденных остановок поездов и без нарушений безопасности движения из-за повреждений и отказов вагонов, при условии приемлемых за- трат на их техническое обслуживание и ремонт. Достижение оптимальных показателей безотказности вагонов исходя из многолетнего опыта работы принципиально возможно по нескольким на- правлениям: 1) разработка и использование вагонов с высокими показателями безотказно- сти; 2) модернизация, т.е. замена недостаточно надежных частей вагона на более надежные в течение установленного срока службы вагона; 3) разработка и использование системы ремонта вагонов, позволяющей обес- печить безотказную работу в межремонтный период; 4) разработка и использование эффективной системы технического обслужи- вания вагонов. Конструкция вагонов и система их ремонта и технического обслужива- ния должны соответствовать условиям эксплуатации вагонов, а перечислен- ные выше направления совершенствования сложной системы «вагон-система его эксплуатации – система его ремонта и технического обслуживания» должны использоваться комплексно. Учитывая достаточно большой установленный срок службы вагона (20- 40 лет) и ограниченные экономические возможности, быстрая замена мо- рально и физически устаревших вагонов, а также серьезная модернизация (замена крупных узлов, например, тележек) не реальна. Разработки и исполь- зование технологии ремонта, обеспечивающей безотказную работу вагона в межремонтный период для вагонов с низкими показателями надежности и с большим сроком службы, мало эффективна. Мероприятия по улучшению показателей безотказности вагонов за счет совершенствования системы технического обслуживания могут быть эффек- тивными в случае разработки и использования технических средств диагно- стики. До настоящего времени такие средства не получили распространения, за исключением аппаратуры теплового контроля букс в поездах. Использование этой аппаратуры не уменьшает количество нарушений безопасности движения из-за неисправностей буксового узла, но почти пол- ностью исключает тяжелые последствия – изломы шеек осей. Сложность разработки диагностической аппаратуры вагонов заключает- ся прежде всего в том, что аппаратура должна не только выявлять поврежде- ния (дефекты), но и прогнозировать остаточный технический ресурс. Другая 122 чрезвычайно сложная задача – необходимость контроля технического со- стояния большого количества деталей за весьма ограниченное время. Напри- мер, в составе из 70 вагонов нужно проверить 280 колес на отсутствие тре- щин в дисках. Поэтому до сих пор существует система визуального контроля техниче- ского состояния вагонов в поездах (осмотр). На осмотрщиков вагонов возла- гают обязанности выявить все виды дефектов деталей вагонов при осмотре в любое время суток, и не зависимо от погоды. Такая система существует со времени появления железных дорог, т.е. около 170 лет практически без изме- нения. В настоящее время, в век электроники, развития информационных технологий, телекоммуникаций, компьютеров, Интернета и т.д., система тех- нического обслуживания вагонов нуждается в немедленном изменении для организации технического контроля с помощью технических средств. Рассматривая перспективные вопросы организации технического обслу- живания вагонов, с позиции системного подхода можно выделить две край- ности или две принципиально различные системы организации вагонного хо- зяйства: - надежные вагоны с минимальными затратами на их ремонт и техниче- ское обслуживание; - малонадежные вагоны и сложная, дорогостоящая система их ремонта и технического обслуживания. Исторически, в течение длительного периода, в особенности начиная с 50-х гг. прошлого века на дорогах России существовала тенденция совер- шенствования конструкции и модернизации вагонов для улучшения показа- телей их надежности. Произведена замена старотипных тележек на более на- дежные модели 18-100, осуществлен перевод вагонов на роликовые подшип- ники, переход на более совершенное тормозное оборудование, прекращено использование деревянной обшивки. Однако одновременно изменялись ус- ловия эксплуатации вагонов: увеличились скорости движения, длина и масса поездов, статистическая нагрузка; удлинялись гарантийные участки, проис- ходило массовое использование средств механизации погрузки и выгрузки вагонов. Изменения условий эксплуатации, особенно переход на электриче- скую и тепловозную тягу, вызывали изменение требований к вагонам. Одновременно с совершенствованием конструкции вагонов на железных дорогах проводилась техническая политика совершенствования системы ре- монта и технического обслуживания вагонов. Особенно активно эта работа выполнялась в 70-80 х гг. Все вагонные депо в это время реконструированы и приспособлены для ремонта большегрузных вагонов. Построено сравнитель- но большое количество депо, соответствующих новым строительным нормам и правилам. Получили широкое распространение механизированные пункты подготовки вагонов к перевозкам, механизированные пункты текущего ре- монта вагонов, а также специализированные эксплуатационные вагонные де- по. Пункты подготовки вагонов к перевозкам, механизированные пункты те- кущего ремонта вагонов были оснащены вагоноремонтными машинами, са- 123 моходными ремонтными установками, грузоподъемными кранами. В 70-х гг. принята программа разработки средств технической диагностики вагонов в процессе технического обслуживания. В 90-х гг. необычайно широкое разви- тие получила разработка, изготовление и использование некоторых средств диагностики, дефектоскопов и электронных измерительных приборов, ис- пользуемых в процессе ремонта вагонов (более подробно эти средства рас- смотрены в главе 9). В перспективе развития вагонного хозяйства неизбежно возникает необ- ходимость совершенствования конструкции вагонов, а также системы их технического обслуживания и ремонта, с приоритетом мероприятий по заме- не визуального контроля технического состояния вагонов средствами техни- ческого диагностирования. Система ремонта должна обеспечить безотказную работу вагонов в межремонтный период. В качестве временного мероприятия на период замены морально и физически устаревших вагонов используют систему плановой технической ревизии отдельных малонадежных узлов: буксового, автосцепки, тележек. Эта система широко применялась в период второй мировой войны и в послевоенный период, когда вагонный парк нахо- дился в неудовлетворительном состоянии. |