Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ эффективности технического содержания магистральных электровозов 14
Глава 2. Постановка проблемы и задачи исследования 23
Глава 3. Методологические основы управления эффективностью процесса технической эксплуатации магистральных электровозов 33
3.1. Процесс технической эксплуатации магистральных электровозов как объект управления 33
3.2. Структура системы управления и специальные функции подсистемы управления техническим обслуживанием и текущим ремонтом магистральных электровозов 44
3.3. Формирование требований к контролепригодности локомотивов на стадии проектирования и эксплуатации 68
Глава 4. Принципы управления техническим состоянием магистральных электровозов 80
4.1. Структура управления техническим состоянием магистральных электровозов 80
4.2. Математическая модель управления техническим состоянием магистральных электровозов 108
4.3. Исследование зависимостей и параметров надёжности локомотивного оборудования от эксплуатационных факторов 120
4.4. Разработка методики выбора номенклатуры узлов и агрегатов магистральных электровозов, подлежащего диагностированию 144
4.5. Методика адаптации ремонтного цикла к региональным особенностям при внедрении системы технического содержания электровозов с применением средств диагностирования 150
4.5.1 Принципы адаптации 150
4.5.2 Расчет коэффициента рода службы локомотива 156
4.5.3 Расчет коэффициента «возраста» локомотивного парка 157
4.5.4 Расчет коэффициентов учета климатических условий 158
4.5.5 Расчет коэффициента путевых условий 159
4.5.6 Расчет коэффициента диагностирования от степени полноты контроля оборудования локомотива 160
4.5.7 Пример адаптации нормативов межремонтных периодов... 162
4.6. Основные принципы оптимизации ремонтного цикла с учётом постоянных и внезапных отказов 167
4.7. Основные положения по совершенствованию системы ремонта при внедрении средств диагностирования оборудования локомотивов 172
Глава 5. Принципы построения систем диагностирования для локомотивов 180
5.1. Формализация процесса диагностирования на основе обобщённой модели системы технического диагностирования 180
5.2. Требования к системам технического диагностирования локомотивов 187
5.3. Анализ структурных схем диагностирования для локомотивов 203
5.4. Принципы выбора классов точности измерения контрольных параметров локомотивов при диагностировании 223
Глава 6. Технико-экономическая эффективность при внедрении средств технического диагностирования на ремонте магистральных электровозов 235
Основные результаты и выводы 244
Список литературы 250
- Процесс технической эксплуатации магистральных электровозов как объект управления
- Математическая модель управления техническим состоянием магистральных электровозов
- Основные принципы оптимизации ремонтного цикла с учётом постоянных и внезапных отказов
- Формализация процесса диагностирования на основе обобщённой модели системы технического диагностирования
Введение к работе
Основной проблемой диссертационного исследования является
разработка стратегии технической эксплуатации электровозов,
обеспечивающей заданное управление показателями технического
обслуживания и текущего ремонта электровозов при применении средств
технического диагностирования для повышения эффективности использования
трудовых, материальных и технических ресурсов. В рамках этой проблемы
рассмотрена математическая модель управления техническим состоянием
электровоза в эксплуатации. Особое внимание уделено методике обоснования
предельных параметров (допусков) при производстве технического
обслуживания и текущего ремонта электровозов с применением компьютерной программы «STATISTICA».
Актуальность диссертации определяется проблемой рационального и экономичного расходования всех видов ресурсов, снижения их потерь, ускоренного перехода к ресурсосберегающим технологиям, повышению безопасности движения поездов. При этом надо учесть, что 50% парка подвижного состава на 2002 год достигло предельного уровня эксплуатации. Повышение эффективности процесса технической эксплуатации может быть достигнуто двумя путями:
- первый связан с повышением технического уровня (качества) системы технической эксплуатации, совершенствованием элементов системы, в том числе создания высокотехнологичных узлов и агрегатов для подвижного
состава, создания автоматизированного оборудования для ремонта локомотивов, средств контроля и диагностики;
- второй путь предлагает совершенствование системы управления эффективностью процесса технической эксплуатации, в том числе обоснования программ по техническому обслуживанию и текущему ремонту подвижного состава, создания программ прогнозирования остаточного ресурса оборудования на базе внедрения автоматизированных систем управления локомотивным хозяйством (АСУ-Т).
Обоснование программ текущего ремонта осуществляется при помощи анализа математической модели управления техническим состоянием электровоза.
Степень разработанности проблемы одним из важнейших направлений в управлении эффективностью процесса технической эксплуатации электровоза является управление подсистемой совершенствования системы технического обслуживания и текущего ремонта с применением средств технического диагностирования. Наиболее известные работы в области совершенствования системы ремонта локомотивов: В.А.Четвергова, Е.С. Павловича, И.П. Исаева, А.В. Горского, А.А. Воробьёва, Ю.Е. Просвирова, Н.Н. Капранова, В.И. Седова, А.Б. Подшивалова, В.А. Козырева. Они охватывают вопросы надёжности тягового подвижного состава, обоснования рационального ремонтного цикла локомотивов. На базе выполненных исследований и в развитие актуальной темы совершенствования системы ремонта локомотивов
автор при помощи математической модели управления техническим состоянием подвижного состава и анализа экономических издержек по всему жизненному циклу оборудования предлагает строить рациональный цикл ремонта локомотивов с учётом обоснования основных допусков оборудования.
Цель и задачи исследования- разработка методов повышения эффективности процесса технической эксплуатации электроподвижного состава, для подсистемы технического обслуживания и текущего ремонта при внедрении комплексного диагностирования на основе обоснования предельных допусков выбранного оборудования и анализа экономических издержек для рассматриваемых узлов и агрегатов.
Объект диссертационного исследования представляет собой систему технического обслуживания и текущего ремонта электроподвижного состава при применении средств диагностирования.
Предметом исследования является методология управления
техническим состоянием подвижного состава при применении средств диагностирования с учётом постепенных и внезапных отказов.
Теоретико-методологическую основу диссертации составляют: теоретические и экспериментальные методы исследований. Стратегия повышения эффективности процесса технической эксплуатации разрабатывалась прежде всего на основе теоретических методов, включая вероятностные оценки и прогнозы. Анализ экономических издержек выполнялся методами линейного программирования. В экспериментальной
части работы выполнен расчёт на базе программного продукта «Statistica». Такой подход позволил наилучшим образом изучить все аспекты поставленной задачи, обобщить количественные и качественные результаты, сформулировать итоговые оценки и наметить перспективы развития.
Методы исследования Научная новизна диссертации состоит в следующем:
теоретически обоснована оптимизация ремонтного цикла локомотивов при одновременном учёте как постепенных, так и внезапных отказов оборудования с использованием компьютерной программы на базе аналитического программного пакета «Statistica».
теоретически обоснована методология управления эффективностью процесса технической эксплуатации локомотивов, подсистема технического обслуживания и текущего ремонта.
выполнены исследования эксплуатации локомотивов в различных климатических зонах с учётом коэффициента диагностирования.
исследован учёт экономических характеристик как случайных величин при оптимизации технических требований к межремонтным пробегам.
предложена Концепция комплексной системы технического обслуживания и текущего ремонта с применением средств технического диагностирования, регламентирующая применение средств технического диагностирования при ремонте локомотивов.
предложена Концепция комплексной системы средств диагностирования, регламентирующая разработку, внедрение технологий и средств диагностирования при ремонте подвижного состава.
разработана методика контроля и диагностирования качества изоляционных материалов с использованием метода тангенса угла диэлектрических потерь при применении установки « Тангенс-2000».
обоснованы основные направления дальнейшего совершенствования системы ремонта при внедрении средств технического диагностирования оборудования локомотивов.
Практическое значение работы состоит в следующем:
предложенные методы управления эффективностью процесса
технической эксплуатации локомотивов позволяют системно и качественно
решить задачу повышения надёжности на всех уровнях жизненного цикла
локомотива - от производства новых - до эксплуатации уже существующих;
обоснованные технические требования для проектирования средств контроля и диагностирования обеспечивают единый системный подход изготовителей к созданию контролирующих устройств различных типов;
выработанные решения направлены на сокращение эксплуатационных расходов при производстве ремонта локомотивов с применении средств технической диагностики с учётом технического состояния оборудования;
созданная компьютерная программа на базе аналитического пакета «Statistica» позволяет моделировать межремонтные пробеги локомотивов с
обоснованием технических требований на допусковые параметры оборудования;
предложенная новая технология контроля качества изоляции при применении диагностического комплекса «Тангенс-2000» способствует повышению надежности работы тяговых электродвигателей.
Эмпирическая база реализована на следующих предприятиях транспорта:
Практическая апробация диссертации. Основные положения и результаты исследований в форме доклада были доложены на научно-технических совещаниях комитета «Техническая диагностика» Госстандарта РФ в городах: Н.Новгород, С. Петербург, Москва; на сетевых совещаниях в г. Н.Новгороде, г.Ростове-на-Дону, г.Москве, г.Брянске; на межвузовских конференциях МГУПСе, ОмГУПСе, ХИИТе, РГУПСе; на научно-технических
советах Департамента технической политики МПС РФ, Департамента локомотивного хозяйства МПС РФ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и семи приложений. Работа представлена на 371 странице, включает 43 таблицы и 63 рисунка, библиографию из 182 наименований и приложения на 105 страницах.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 55 печатных работ в виде статей, докладов и тезисов докладов, получено 5 авторских свидетельствах на изобретения и патенты. Перечень основных публикаций приведён в конце работы.
Процесс технической эксплуатации магистральных электровозов как объект управления
Анализ статистических данных по надёжности оборудования показывает, что определённая номенклатура отказов и замен узлов и агрегатов повторяется у большинства локомотивов. Особенно это относится к таким узлам и агрегатам, как тяговые электродвигатели, моторно-якорные подшипники, аппараты управления [1 87]. Закономерность повторения этих отказов свидетельствует о возможности планирования объёмов текущих ремонтов не только по трудоёмкости, а и по периодичности, то есть более чётко сформировать структуру эксплуатационно-ремонтного цикла локомотива [91, 95, 99, 102, 103, 104, 121].
Основой для планирования текущих ремонтов должны служить закономерности изменения показателей технического состояния агрегатов локомотива в процессе эксплуатации. Причём вид этих закономерностей должен быть установлен на основе физической сущности процессов. Одной из трудностей планирования текущего ремонта является большая вариация показателей технического состояния при одинаковой наработке. Основной причиной этого является несовершенный учёт условий эксплуатации локомотивов, который является слишком укрупнённым и не содержит конкретных численных измерителей основных эксплуатационных факторов.
Таким образом, налицо проблемная ситуация, заключающаяся в том, что значительные затраты на поддержание работоспособности локомотива в эксплуатации, которые во много раз превышают стоимость локомотива, существенно повышают себестоимость перевозок и снижают производительность. Одной из причин таких высоких затрат является отсутствие конкретных норматиbob текущего ремонта, чёткой структуры эксплуатационно-ремонтного цикла узлов и агрегатов и недостаточный учёт эксплуатационных факторов, что увеличивает дорогие в устранении внезапные отказы. То есть, проблема разработки конкретных нормативов текущего ремонта, формирования структуры эксплуатационно-ремонтного цикла локомотива является актуальной, от которой во многом зависит производительность локомотивов и себестоимость перевозок.
Данная проблемная ситуация позволила сформулировать научную проблему: научная систематизация и принципы управления техническим состоянием электровозов в процессе эксплуатации в различных условиях. На основании проведённого анализа эффективности использования электроподвижного состава, концепции комплексной системы технического обслуживания и текущего ремонта с применением средств диагностирования, концепции комплексной системы средств диагностирования, стратегий технического обслуживания и текущего ремонта при применении средств диагностирования, развития системы диагностирования и управления техническим состоянием подвижного состава автором сформулированы следующие основные задачи исследования: 1. Разработать математическую модель управления техническим состоянием оборудования локомотива. 2. Выявить зависимости, обеспечивающие оптимизацию межремонтных пробегов с учётом постепенных и внезапных отказов, при внедрении средств технического диагностирования. 3. Обосновать применение коэффициента диагностирования при расчёте межремонтных пробегов локомотивов в различных регионах с учётом коэффициентов зональности. 4. Сформировать систему показателей, характеризующих контролле-пригодность локомотива. 5. Разработать технические требования к подсистемам диагностирования на основе математического анализа основных функций применения. 6. Обосновать методику по определению класса точности при измерениях диагностических параметров оборудования локомотива. 7. Разработать методику выбора узлов и агрегатов локомотива, подлежащих диагностированию. 8. Разработать техническое задание для программы по управлению техническим состоянием локомотива на базе аналитической программы « STATISTICA». На основе исследований разработаны и утверждены концепция комплексной системы технического обслуживания и текущего ремонта с применением средств диагностирования, концепция комплексной системы средств диагностирования, технические задания на проектирование средств диагностирования, отраслевые стандарты на технические требования к средствам диагностирования. В целом структура исследования и последовательность решения поставленных задач показана на схеме рис. 2.2.
Математическая модель управления техническим состоянием магистральных электровозов
В данной работе рассматриваются две подсистемы повышения эффективности эксплуатации подвижного состава: «Комплексная система диагностики тягового подвижного состава (принципы и общие положения)» и «Концепция системы технического обслуживания и ремонта тягового подвижного состава с учетом технического состояния, разработанные во ВНИИЖТе совместно с Отраслевым центром внедрения МПС РФ (ОЦВ МПС РФ) при участии автора.
В настоящее время существует затратная по своей сути система планово-предупредительного ремонта (ППР) тягового подвижного состава, выполняемого в соответствии с нормативами периодичности, заданными в километрах пробег или календарных сутках. Объемы ремонта назначаются на основе опыта или экспертных оценок. Регламентированное обслуживание при ППР предполагает вскрытие узлов, не требующих ремонта; визуальный контроль узлов и агрегатов без определения предотказового состояния, что приводит к существенному количеству порч и неплановых ремонтов. Уровень удельного числа неплановых ремонтов ТПС стабилизован, а существующая система ППР не в состоянии на него воздействовать [120, 139, 149].
Поскольку плановые сроки ремонта не отражают фактического состояния локомотивов и их узлов, возникает необходимость: Функционально КСД включает четыре подсистемы диагностирования: встроенную (бортовую) КСД-Б, внешнюю (стационарную) КСД-С, контрольно-проверочную (экспресс-диагностика) КСД-КП, цеховую КСД-Ц.
Назначение бортовой (встроенной) КСД-Б подсистемы диагностирования: контроль работоспособности оборудования ТПС перед рейсом (предрейсовый контроль); оперативный контроль параметров оборудования в эксплуатации в реальном масштабе времени, вывод на экран данных о предаварийной ситуации, запись в оперативно-запоминающее устройство значений параметров, превышающих допустимые значения; экспертный режим, режим локализации неисправности, определение неисправности, анализ библиотеки неисправностей и выдача рекомендаций по локализации неисправностей.
Внешняя (стационарная) КСД-С подсистема диагностирования соединяется с локомотивом посредством кросс-кабеля и выполняет углубленное диагностирование механического, электрического, пневматического видов оборудования по алгоритму, позволяющее реализовать тестовое и функциональное диагностирование, детализацию дефекта в съемных блоках электронного оборудования (до элемента), а также прогнозирование остаточного ресурса основных узлов и агрегатов оборудования локомотива.
Контрольно-проверочная (переносная) подсистема диагностирования (КСД-С) предназначена для контроля и экспресс-диагностирования, а также решения локальных задач контроля (например, поиска дефектов в силовых и низковольтных цепях локомотива). КСД-С работает в «допусковом» режиме и вычисляет отклонение значений контролируемых параметров от нормы; отдельные переносные диагностические приборы накапливают данные измерений для последующей их обработки на автоматизированных рабочих местах (АРМ).
Цеховая подсистема диагностирования КСД-Ц осуществляет входной и выходной контроль узлов, агрегатов на автоматизированной рабочей позиции (АРП) до и после ремонта в цехах и специализированных отделениях.
Одной из основных задач создания комплексной системы диагностирования является решение задачи управления техническим состоянием подвижного состава и планирование ремонтов. Схема информационных потоков управления техническим состоянием ПС представлена на рис.3.8.
Локомотивы нового поколения оборудованы цифровой системой позиционирования «ГЛОНАСС-NAVSTAR» (структура представлена на рис.3.9.), которая позволяет передавать оперативную или экстренную информацию о техническом состоянии локомотива на центральный диспетчерский пункт депо.
Основные принципы оптимизации ремонтного цикла с учётом постоянных и внезапных отказов
В настоящей диссертационной работе приведена методика оптимизации новой структуры ремонтного цикла локомотива. Основное внимание уделено корой и третьей стратегиям ТОР - регламентной и по состоянию. Первая, в основном, направлена на предупреждения внезапных отказов, а вторая - постепенных, по результатам диагностирования. При этом диагностирование (контроль) осуществляют в плановом порядке после окончания пробега до соответствующего ремонта. Особенностью методики является возможность совместной оптимизации технических требований на различные ремонты, от которых, в первую очередь, зависит безотказность локомотива в эксплуатации и стоимость его ремонта. Критерием является минимум удельных издержек с учетом убытков от простоев при отказах. Кроме того, методика позволяет оптимизировать периодичность ремонтов.
Для реализации методики разработаны и реализованы технические задания для программного обеспечения "УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ" и "ОСТАТОЧЫЙ РЕСУРС" на основе аналитического программного пакета Staistica. Первая основная программа реализует метод прогнозирования по среднему статистическому изменению параметра, а также по параметрам распределения ресурса. Вторая программа реализует метод прогнозирования по реализации параметра. Кроме того, в целях повышения безотказности локомотива и уменьшения издержек на его технический сервис разработан и реализован метод учета региональных особенностей условий эксплуатации электровозов с применением диагностирования. Значительное внимание уделено решению задач оптимизации технических требований на ремонты и величины остаточного ресурса элементов локомотива, а также определению исходных и выходных данных для оптимизации структуры ремонтного цикла локомотива [51, 52, 126, 127,128. 176. 168, 164, 165]. При проведении работы использованы следующие основные положения:
Целью новой структуры ремонтного цикла локомотива является обеспечение: требуемого уровня безотказности его механизмов и систем; минимизации затрат на его ремонт; рационального использования ресурсов механизмов и систем при эксплуатации локомотива. 2. Новая структура ремонтного цикла локомотива должна отличаться меньшим количеством видов ремонта при увеличенном пробеге между ними. 3. Требуемый уровень безотказности должен достигаться на основе предупреждения отказов, что обеспечивается применением прогнозирования и управлением техническим состоянием механизмов и систем по результатам диагностирования. 4. В качестве основных управляющих параметров следует использовать: допускаемые значения параметров (износа деталей и их соединений) при текущем, среднем и капитальном ремонте, а также периодичность текущего, среднего и капитального ремонта, образующих ремонтный цикл. В данном случае под ремонтным циклом локомотива подразумевают наименьший повторяющийся интервал его пробега, в течение которого выполняют в определенной последовательности в соответствии с требованиями нормативно-технической документации все установленные виды ремонта. 5. Оптимизация допускаемых значений параметров составных частей механизмов и систем локомотива, применяемых при ремонте, и его периодич 122 ности (при текущем, среднем и капитальном) должна осуществляться совместно. Это обеспечивает управление: - допускаемыми отклонениями (значениями) параметров, что обусловливает резкое снижение вероятности параметрических (постепенных) отказов-В2...3 и более раз; - техническим состоянием локомотива в целом. 6. Целевая функция оптимизации ремонтного цикла должна строится с применением критерия минимума издержек, учитывающих, в первую очередь, котоки постепенных и внезапных отказов, предупредительных ремонтов (замен) и диагностирований. 7. При управлении периодичностью ремонтов следует обеспечить кратность пробега локомотива между ними. 8. Обязательным условием управления техническим состоянием локомотива является знание диагностических параметров его механизмов (узлов, агрегатов) и систем и целенаправленное изменение их допускаемых значений и периодичности ремонтов. В этой связи в процессе выполнения работы необходимо проводить оптимизационный расчет новой структуры ремонтного цикла локомотива по основным параметрам его технического состояния, по которым наблюдается наибольшее количество отказов. Необходимая информация по динамике параметров, пробеги до отказов одноименных механизмов и систем для расчета берутся непосредственно из материалов эксплуатации.
Формализация процесса диагностирования на основе обобщённой модели системы технического диагностирования
Исследованиями установлена целесообразность применения трех методов регионального ремонтного цикла транспортных систем [164, 165, 179, 19, 20]: - корректировка существующего общероссийского (сетевого) регламентного ремонтного цикла транспортных систем применительно к данному региону; - разработка специфического для данного региона ремонтного цикла транспортных систем; - разработка индивидуального - для данной транспортной единицы, используемой в данном регионе - системы ремонтного цикла. Первый из этих методов обеспечивает только приближенную адаптацию ремонтного цикла к региональным условиям, второй позволяет более точно установить необходимый ремонтный цикл. Третий метод обеспечивает определение ремонтного цикла применительно к каждой конкретному локомотиву.
В связи с различными климатическими и другими условиями работы транспортных машин и в т.ч. локомотивов коэффициент вариации ресурсов их одноименных деталей и сочленений очень велик (в среднем составляет 0,5...0,8). Это связано с большим рассеиванием скорости изнашивания деталей и соединений, в различных условиях эксплуатации. При соблюдении единой периодичности и технических требований на ремонт транспортных систем на сети дорог - вне зависимости от особенностей регионов - частота их отказов, расход запасных частей также велики.
Климатические и другие условия работы транспортных систем в границах каждого из регионов, естественно, разнятся не так сильно, поэтому коэффициент вариации ресурсов деталей и их сочленений существенно меньше (0,3...0,5). Специфический для данного региона ремонтный цикл для транспортных систем, учитывающий это рассеивание, позволяет значительно снизить частоту их отказов и расход запасных частей. Индивидуальный ремонтный цикл транспортной машины (третий метод) еще в большей степени сокращает вариацию. При установлении одновременно индивидуального и регионального ремонтных циклов технико-экономический эффект окажется еще более существенным.
Данные положения применимы к локомотивному хозяйству, так как оно является одним из звеньев транспортной системы, и региональные особенности при эксплуатации локомотивов значительно влияют на ее эффективность.
Как указано выше, первый метод определения регионального ремонтного цикла заключается в корректировке общесетевого нормативного ремонтного цикла локомотивов данной серии. Он является наиболее простым и основан на использовании поправочных коэффициентов к сетевому ремонтному циклу, к периодичности и техническим требованиям на ТО и ТР, к нормативной трудоемкости ТО и ТР и т.д. Однако, как правило, поправочные коэффициенты не полностью учитывают все разнообразие особенностей эксплуатации локомотивов.
Второй метод основывается на непосредственном учете отказов локомотивов, скорости изнашивания основных деталей и соединений, значений параметров технического состояния локомотивов в рассматриваемом регионе. На рис. 4.22. приведена структурная схема реализации данного метода.
Третий метод определения региональных ремонтных циклов локомотивов основывается на применении средств диагностирования, с помощью которых определяется остаточный ресурс индивидуально каждого агрегата, узла локомотива и на этой основе устанавливается срок, вид и место ремонта или операций технического обслуживания. Эффективность технического обслуживания и текущего ремонта локомотивов при этом максимальна. Индивидуальный ремонтный цикл для транспортных машин предполагает учет динамики параметров их состояния, и прежде всего - интенсивности изнашивания деталей, обусловливающих постановку локомотива на текущий, капитальный ремонт.
При корректировке ремонтного цикла по первому из рассмотренных выше методов необходимо использовать ряд коэффициентов, учитывающих, в первую очередь, климатические условия работы локомотивов. Исследованиями, проведенными докторами технических наук В.В. Стрекопытовым, И.П.Исаевым; А.А. Мурзиным, В.А.Четверговым, В.В.Горским, ААВоробьевым, к.т.н. В.П. Слободянюком и другими выведен ряд зависимостей влияния климатических условий на эксплуатационную надежность локомотивного парка.
