Содержание к диссертации
Введение
1. Цель, задачи и методика исследований по совершенствованию системы ремонта 7
1.1. Анализ методов оценки надежности и определения оптимальных сроков восстановления узлов и деталей тягового подвижного состава 7
1.2. Постановка задачи и методика исследований 14
2. Определение количественных показателей надежности узлов и деталей электроподвижного состава 17
2.1. Методика сбора и систематизации информации об отказах и износе оборудования электроподвижного состава.. 20
2.2. Расчет показателей надежности изнашиваемого оборудования 29
2.2.1. Определение законов распределения контролируемых параметров, расчет коэффициентов уравнений регрессии числовых характеристик распределений 29
2.2.2. Расчет функций распределения ресурса изнашиваемого оборудования 43
2.3. Расчет показателей надежности оборудования, не
имеющего контролируемых параметров 46
2.3.1. Оценка параметра потока отказов оборудования в пределах межремонтного периода 50
2.3.2. Расчет усеченных функций распределения наработок на отказ 64
3. Определение оптимальных сроков восстановления оборудования по усеченной функции распределения наработок на отказ 69
3.1. Критерий оптимальности сроков восстановления 69
3.2. Определение вида и параметров распределения наработок на отказ по усеченной выборке 75
3.2.1. Метод выбора закона распределения по усеченной выборке 75
3.2.2. Определение законов распределения наработок на отказ оборудования в различных условиях эксплуатации ... 81
3.3. Оценка точности определения оптимального пробега до ремонта оборудования по усеченной выборке наработок на отказ 84
3.3.1. Выбор целевой функции и критерия оценки точности. 84
3.3.2. Экспериментальное определение значений целевой функции оценки точности расчета оптимального межремонтного пробега 86
3.3.3. Установление зависимостей относительной ошибки определения оптимального межремонтного пробега от объема усеченной выборки наработок на отказ 97
3.3.4. Оценка точности определения оптимальных межремонтных пробегов оборудования электровозов 115
4. Расчет оптимальных сроков восстановления оборудования электроподвижного состава в различных условиях эксплуатации 117
4.1. Оптимальные сроки восстановления изнашиваемого оборудования 117
4.2. Оптимальные сроки восстановления оборудования с непараметрическими отказами 120
4.3. Оптимальные сроки восстановления оборудования с учетом параметрической и непараметрической надежности.. 123
Заключение 127
Приложения 129
Список литературы 152
- Анализ методов оценки надежности и определения оптимальных сроков восстановления узлов и деталей тягового подвижного состава
- Определение законов распределения контролируемых параметров, расчет коэффициентов уравнений регрессии числовых характеристик распределений
- Определение законов распределения наработок на отказ оборудования в различных условиях эксплуатации
- Оптимальные сроки восстановления оборудования с непараметрическими отказами
Введение к работе
Развитие и нормальное функционирование экономики нашей страны невозможно без транспорта, задачей которого является удовлетворение народного хозяйства и населения в перевозках. Эффективность и качество работы железнодорожной транспортной системы существенным образом зависит от совершенства системы эксплуатации, надежности и организации ремонта локомотивов.
Для выполнения задач, стоящих перед железнодорожным транспортом, необходимо повышать эффективность и качество работы всех его звеньев и, в первую очередь, локомотивного хозяйства, на долю которого приходится около пятой части основных фондов и почти 11% из них расходуется на техническое обслуживание и ремонт (ТОР) локомотивов.
Повышая надежность локомотивов можно повысить технико-экономические показатели использования локомотивного парка и эффективность работы железнодорожного транспорта.
В локомотивном хозяйстве железных дорог нашей страны принята в 1940г. и используется по сей день планово-предупредительная система ремонта локомотивов, задача которой - предупреждение отказов оборудования в эксплуатации и восстановление его работоспособности. На всем протяжении истории применения данной системы ТОР наблюдалась тенденция увеличения межремонтных пробегов, которые регулярно пересматривались и закреплялись приказами МПС.
Был и используется до сих пор основополагающий принцип планово-предупредительной системы ремонта - локомотивы и электропоезда через определенное время или после выполнения определенного пробега подвергаются ремонту независимо от их технического состояния. При этом межремонтные пробеги локомотивов однотипных серий регламентированы едиными для всей сети железных дорог России. Планово-предупредительная система ремонта не учитывает случайного характера изменений условий эксплуатации и не отражает стохастической природы
процессов изнашивания и выхода из строя узлов и деталей локомотивов. В результате этого велика вероятность введения локомотивов в ТОР с различной степенью износа: одни поступают, не израсходовав свой запланированный ресурс, другие поступают в состоянии, не позволяющем проводить восстановительные работы. Результатом обобщения межремонтных пробегов является увеличение числа неплановых ремонтов и восстановлений, что приводит к увеличению задержек поездов. Убытки от этого во много раз превышают стоимость устранения самой неисправности, а иногда сопровождаются человеческими жертвами.
Одинаково высоконадежную работу локомотивов в различных условиях эксплуатации может обеспечить применение рациональной (гибкой) системы ТОР с учетом фактического технического состояния. Оптимальные для конкретных условий эксплуатации сроки ремонта должны быть установлены на основе применяющихся методов и средств технической диагностики и оценки показателей надежности узлов и деталей локомотивов. Наиболее эффективным способом получения информации о техническом состоянии оборудования локомотивов является техническое диагностирование. Однако таким способом можно получить лишь часть требуемой информации. Для полной оценки надежности требуется также использование достаточной и достоверной информации об отказах оборудования в процессе эксплуатации.
В данной работе на примере электровозов ВЛ80С рассматривается модель оценки технического состояния оборудования локомотивов и определения оптимальных сроков его восстановления по информации об отказах и износе в процессе эксплуатации в конкретных условиях в рамках установленной в настоящее время планово-предупредительной системы ремонтов.
Анализ методов оценки надежности и определения оптимальных сроков восстановления узлов и деталей тягового подвижного состава
Развитие и нормальное функционирование экономики нашей страны невозможно без транспорта, задачей которого является удовлетворение народного хозяйства и населения в перевозках. Эффективность и качество работы железнодорожной транспортной системы существенным образом зависит от совершенства системы эксплуатации, надежности и организации ремонта локомотивов.
Для выполнения задач, стоящих перед железнодорожным транспортом, необходимо повышать эффективность и качество работы всех его звеньев и, в первую очередь, локомотивного хозяйства, на долю которого приходится около пятой части основных фондов и почти 11% из них расходуется на техническое обслуживание и ремонт (ТОР) локомотивов.
Повышая надежность локомотивов можно повысить технико-экономические показатели использования локомотивного парка и эффективность работы железнодорожного транспорта.
В локомотивном хозяйстве железных дорог нашей страны принята в 1940г. и используется по сей день планово-предупредительная система ремонта локомотивов, задача которой - предупреждение отказов оборудования в эксплуатации и восстановление его работоспособности. На всем протяжении истории применения данной системы ТОР наблюдалась тенденция увеличения межремонтных пробегов, которые регулярно пересматривались и закреплялись приказами МПС.
Был и используется до сих пор основополагающий принцип планово-предупредительной системы ремонта - локомотивы и электропоезда через определенное время или после выполнения определенного пробега подвергаются ремонту независимо от их технического состояния. При этом межремонтные пробеги локомотивов однотипных серий регламентированы едиными для всей сети железных дорог России. Планово-предупредительная система ремонта не учитывает случайного характера изменений условий эксплуатации и не отражает стохастической природы процессов изнашивания и выхода из строя узлов и деталей локомотивов. В результате этого велика вероятность введения локомотивов в ТОР с различной степенью износа: одни поступают, не израсходовав свой запланированный ресурс, другие поступают в состоянии, не позволяющем проводить восстановительные работы. Результатом обобщения межремонтных пробегов является увеличение числа неплановых ремонтов и восстановлений, что приводит к увеличению задержек поездов. Убытки от этого во много раз превышают стоимость устранения самой неисправности, а иногда сопровождаются человеческими жертвами.
Одинаково высоконадежную работу локомотивов в различных условиях эксплуатации может обеспечить применение рациональной (гибкой) системы ТОР с учетом фактического технического состояния. Оптимальные для конкретных условий эксплуатации сроки ремонта должны быть установлены на основе применяющихся методов и средств технической диагностики и оценки показателей надежности узлов и деталей локомотивов. Наиболее эффективным способом получения информации о техническом состоянии оборудования локомотивов является техническое диагностирование. Однако таким способом можно получить лишь часть требуемой информации. Для полной оценки надежности требуется также использование достаточной и достоверной информации об отказах оборудования в процессе эксплуатации.
В данной работе на примере электровозов ВЛ80С рассматривается модель оценки технического состояния оборудования локомотивов и определения оптимальных сроков его восстановления по информации об отказах и износе в процессе эксплуатации в конкретных условиях в рамках установленной в настоящее время планово-предупредительной системы ремонтов.
Норма межремонтного периода является основным показателем системы ТОР, определяющим затраты на проведение ТОР. Проблеме установления рациональных межремонтных периодов машин и транспортных средств с учетом ресурса узлов и деталей в конкретных условиях эксплуатации уделяется значительное внимание в исследованиях ученых различных отраслей: железнодорожного, авиационного, автомобильного, речного транспорта; сельского хозяйства, горнодобывающей, нефтеперерабатывающей промышленности.
Оптимизации межремонтных периодов локомотивов с учетом конкретных условий эксплуатации посвящены исследования И.П. Исаева, А.В. Горского, А.А. Воробьева, Н.А. Малоземова, Е.С. Павловича, В.Н. Твери-тина, В.А. Четвергова, Ю.Н. Виноградова, И.В. Дмитренко, К.И. Домбров-ского, А.Б. Подшивалова, П.А. Шанченко, А.Т. Осяева, В.А. Козырева, Б.Д. Никифорова и других авторов.
Учеными МИИТа [19, 20, 28, 29, 30, 42] для оптимизации межремонтных пробегов предложена целевая функция - суммарное удельное приведенное число ремонтов - выраженная через показатель безотказности - параметр потока отказов узлов и деталей.
Определение законов распределения контролируемых параметров, расчет коэффициентов уравнений регрессии числовых характеристик распределений
Электровозы сети железных дорог России работает в разных, специфических для каждого участка обслуживания, условиях, которые оказывают решающее влияние на характер износов и повреждений механического и электрического оборудования. К этим условиям относятся: динамические нагрузки, вызываемые взаимодействием с рельсовой колеей при движении поезда, насыщение узлов трения абразивными частицами, колебания температуры обмоток тяговых электрических машин, определяемые переменной нагрузкой, изменения температуры и влажности окружающей среды в различные периоды года и суток.
Специфические условия работы электроподвижного состава предъявляют повышенные требования к его надежности. В условиях эксплуатации железных дорог отказы локомотивов вызывают задержку поездов, что приводит к убыткам, во много раз превышающим стоимость устранения самой неисправности, а иногда эти отказы становятся причинами крушений и аварий, сопровождающихся человеческими жертвами. Современные методы эксплуатации электровозов на участках обращения большой протяженности при сменном обслуживании локомотивными бригадами также требует повышенной надежности оборудования. На участке обращения локомотив находится в длительном безостановочном движении, на протяжении которого доступ к большинству конструктивных элементов невозможен; кроме того, электровоз надолго удаляется от пунктов осмотров и ремонта, что затрудняет своевременное выявление причин отказов и устранение их последствий. От надежности оборудования локомотивов в значительной степени зависит интенсивность использования локомотивов, производительность труда, затраты на ремонт, и, в конечном итоге, себестоимость продукции.
Задачу обеспечения требуемого уровня надежности оборудования локомотивов посредством своевременного проведения планово-предупредительного ремонта выполняют линейные ремонтные предприятия - локомотивные депо. Система технического обслуживания и ремонта подвижного состава начиная с 1940 года и по сей день регламентируется указаниями МПС. Периодичность проведения технических обслуживании и ремонтов устанавливается единой для всей сети железных дорог. Однако электровозы, приписанные к каждому из локомотивных депо, эксплуатируется в различных условиях, влияющих на характер износа и количество отказов оборудования. Различие условий эксплуатации вызвано рядом совокупно действующих факторов, таких как климатические условия, план и профиль пути, техническое состояние ЭПС, качество проведения технических осмотров и ремонта и других факторов. Следовательно, для достижения наивысшего уровня надежности оборудования электровозов и, как следствие, наименьших затрат на проведение его ремонта и технического обслуживания, необходимо определять оптимальные сроки восстановления или замены узлов и деталей не для всей сети железных дорог, а для конкретных условий эксплуатации с учетом фактического ресурса. При этом сроки проведения плановых ТОР должны быть научно обоснованы. Это позволит избежать в одних случаях неполного использования ресурса оборудования и, как следствие, увеличения числа приработочных отказов, в других случаях преждевременного исчерпания ресурса узла или детали и, следовательно, увеличения числа отказов в период между плановыми ремонтами или заменами.
При оценке показателей надежности оборудования электроподвижного состава особое значение должно быть уделено достаточности и, что очень важно, достоверности информации об эксплуатации в конкретных условиях. Использование возможностей современных ЭВМ (при наличии соответствующего программного обеспечения) для решения задач формирования баз данных отказов, расчета показателей надежности и определения оптимальных сроков восстановления узлов и агрегатов позволит оперативно следить за изменением технического состояния локомотивов, приписанных к депо, обнаруживать узлы, лимитирующие межремонтные пробеги, целенаправленно принимать меры к повышению ресурса этих узлов. Это позволит обеспечивать надежную работу электроподвижного состава при наименьших затратах на ремонт и техническое обслуживание.
Оценка показателей надежности узлов и деталей в данной работе производилась на основе анализа и обработки статистических данных об износе и отказах оборудования.
Процессы износа и наступления отказов имеют случайную природу. Согласно теории вероятностей, при переходе объектов из одного состояния в другое, характеристики другого состояния не зависят и не определяются значениями характеристик их первого состояния и являются случайными. Таким образом, сущность использования методов теории вероятностей в исследовании поведения агрегатов электроподвижного состава в конкретных условиях в целом заключается в понятии вероятностного распределения исследуемых показателей наработки, безотказности, снижения и восстановления работоспособности.
Основным способом получения информации о надежности узлов и деталей является сбор данных о техническом состоянии оборудования электроподвижного состава на основе системы учетной и отчетной документации локомотивного хозяйства.
Характерной чертой данного способа получения информации является возможность проведения наблюдений в течение всего срока службы электроподвижного состава заранее определенного парка. При этом не требуется никакой имитации работы узлов и деталей электроподвижного состава, а последующий анализ показателей надежности дает возможность оценить влияние условий эксплуатации электроподвижного состава на его безотказность.
Определение законов распределения наработок на отказ оборудования в различных условиях эксплуатации
Отказы узлов и деталей локомотивов в процессе эксплуатации являются следствием воздействия случайных факторов. Их совокупность оказывает влияние на величину наработки оборудования на отказ.
Для описания случайной величины наработок на отказ и характера ее изменения необходимо определить закон ее распределения.
Анализ процессов восстановления однотипного оборудования электровозов в одном и том же периоде наблюдения (межремонтном периоде) показывает, что информация о наработках на отказ оборудования является усеченной. Усечение информации обусловлено прерыванием эксплуатации оборудования (прекращение наблюдения) после исключения электровозов из парка или постановки их на очередной плановый ремонт для восстановления рассматриваемого оборудования.
Функция распределения наработок на отказ представлена левой своей частью. В момент проведения очередного планового ремонта при про л беге L значение функции распределения равна Fy (рис.3.4.). Для того чтобы прогнозировать изменения показателей надежности оборудования в область больших наработок, необходимо получить полную функцию распределения. Задача выбора закона распределения и расчета его параметров может быть решена подбором такой полной теоретической функции распределения, которая с наибольшей точностью будет аппроксимировать усеченную эмпирическую функцию распределения. В качестве целевой функции для решения этой задачи была выбрана сумма квадратов отклонений расчетной и теоретической функций распределения: Для определения числовых характеристик теоретической функции распределения наработок на отказ необходимо задаться различными значениями этих характеристик из интервала возможных значений. Цикл подбора параметров распределения повторяется для каждого из предполагаемых законов. В результате расчета будет подобран тип распределения и числовые характеристики, при которых целевая функция (3.16) примет минимальное значение. Теоретическая функция распределения выбирается сравнением с эмпирической только на интервале наблюдения и считается, что теоретическая функция и ее числовые характеристики будут неизменными в области больших наработок. Теоретическая функция распределения наработки на отказ определяется по алгоритму, блок-схема которого приведена на рис.3.5. В блоке 1 вводятся значения статистической функции распределения. Затем вводятся тип закона распределения и диапазоны изменения числовых характеристик а и Ь. Начальной величине критерия согласия присваивается заведомо большее значение (блок 3). После этого начинается расчет теоретической функции распределения (блоки 4 - 13). На каждом шаге расчета вычисляется минимум суммы квадратов отклонений между теоретической и статистической функциями (блок 7). Если его величина меньше ранее полученной, то текущие значения числовых характеристик принимаются за оптимальные (блоки 8 и 9). Затем происходит увеличение числовых характеристик на величину ранее введенного шага. После полного цикла расчетов определяются оптимальные числовые характеристики теоретического закона распределения, по которым вычисляется функция плотности распределения (блок 15). Минимальное значение суммы квадратов отклонений, которому соответствуют оптимальные числовые характеристики теоретического закона распределения, их значения и массивы выбранных функции распределения и функции плотности распределения выводятся на печать (блоків). Распределение наработок узлов и деталей электровозов проверялось на соответствие трем законам распределения: нормальному, Вейбулла и гамма-распределению (табл.3.1). Распределение подчиняется нормальному закону, если на изменение случайной величины оказывают влияние многие примерно равнозначные факторы, действие которых суммируется. Модель нормального закона распределения хорошо описывает отказы, возникающие в элементах конструкции локомотивов в процессе изнашивания, усталости и коррозии деталей, работающих в номинальных (расчетных) режимах нагружения. Распределение Вейбулла используется в качестве математической модели отказов систем, состоящих из рядов элементов, соединенных последовательно с точки зрения обеспечения безотказности систем. Гамма-распределение применяется для анализа отказов, возникающих вследствие износа при достаточно стабильной технологии изготовления элементов и коротком периоде их приработки. Примером могут служить отказы элементов электрооборудования, отказы подшипников двигателей и механизмов. Другими авторами предполагалось и экспоненциальное распределение наработок на отказ оборудования локомотивов. В данной работе этот вид распределения наработок на отказ не рассматривался, так как он характерен для оборудования, параметр потока отказов которого постоянен на протяжении всего межремонтного периода и определение оптимальных сроков восстановления оборудования не имеет смысла, потому как ухудшения технического состояния оборудования к концу установленного межремонтного периода не происходит. Такое оборудование уже исключено из дальнейшего рассмотрения (см. п.2.4) на основании анализа диаграмм параметра потока отказов.
Оптимальные сроки восстановления оборудования с непараметрическими отказами
Плановая смена бандажей колесных пар, ремонт буксового узла, ремонт вспомогательных машин согласно правил ремонта должны производиться на ремонте ТРЗ при пробеге (по указанию №П-389) 480 тыс.км. Оптимальный пробег до смены бандажей колесных пар по причине ослабления на колесном центре, рассчитанный на основе информации о наработках на отказ, при всех отношениях цен планового и непланового ремонтов оказался значительно ниже установленных 480 тыс.км. Из-за этого велико количество внеплановых ремонтов по причине ослабления бандажей. Аналогичные выводы можно сделать относительно сроков ремонта двигателей АНЭ-225 электровозов ВЛ80С депо Брянск-2. Наиболее близок к принятому межремонтному пробегу оптимальный пробег до ремонта буксового узла электровозов ВЛ80С депо Лиски в случае, когда отношение цен планового и непланового ремонтов равно десяти.
Результаты расчета оптимальных межремонтных пробегов указывают на необходимость проведения плановых ремонтов или восстановлений с учетом фактического технического состояния узлов и деталей локомотивов, эксплуатируемых в конкретных условиях.
Ремонт некоторых элементов оборудования локомотивов может быть обусловлен достижением предельной величины некоторого параметра, характеризующего старение или же его проведение может быть вызвано потерей этим элементом работоспособности по другим, не зависящим от износа, причинам. Например, замена бандажей колесных пар производится при их износе до минимально допустимой величины или же - при ослаблении посадки бандажей на колесном центре.
Очевидно, при определении периодичности ремонтов элементов, в процессе эксплуатации которых могут возникать т типов отказов, требующих проведения одних и тех же ремонтных операций для восстановления их работоспособности, необходимо учитывать все эти отказы. Вероятность безотказной работы элемента в этом случае определяется как вероятность сложного события, состоящего в том, что ни один из т типов отказов не произойдет в течение рассматриваемой наработки где / (/) - вероятность того, что за наработку I не произойдет отказ /-го типа (вероятность безотказной работы г-го типа); m - число типов отказов, требующих для восстановления работоспособности элемента проведения одних и тех же ремонтных операций. По мере увеличения износа некоторых узлов от момента их полного восстановления возрастает скорость нарастания числа их непараметрических отказов. У бандажей колесных пар это объясняется тем, что по мере увеличения их наработки и уменьшения толщины, а, следовательно, и массы, они все более интенсивно разогреваются в процессе торможения. Это, в свою очередь, приводит к проворотам и ослаблениям бандажей на колесном центре. Таким образом, в процессе эксплуатации локомотивов может возникать два вида отказов: параметрические отказы, вызванные износом элементов оборудования и выходом их контролируемых параметров за установленный допуск; непараметрические отказы, обусловленные ослаблением крепления, изломом и т.п., т.е. которые не удается предупредить в эксплуатации, но интенсивность наступления, которых зависит от величины износа соответствующего оборудования. Общие особенности в возникновении этих отказов заключаются в следующем. У элемента имеется контролируемый параметр, случайно изменяющийся в процессе функционирования и являющийся функцией наработки. Изменение параметра в пределах допуска не приводит к параметрическому отказу. Но с увеличением (с уменьшением) параметра возрастает вероятность непараметрического отказа. Отказ проявляется в скачкообразном изменении состояния элемента. В этом случае вероятность безотказной работы будет определяться соотношением: где Pn(l) = l-Fn(l) -вероятность того, что при наработке не возникнет постепенного отказа оборудования (Fn(l) - функция распределения ресурса); PH(l) = l-FH(i) - вероятность того, что при наработке не произойдет непараметрического отказа оборудования (FH(l) - функция распределения наработки до непараметрического отказа). По суммарной вероятности безотказной работы определяется функция распределения ресурса Fs(/) = l-P2(7) с учетом параметрической и непараметрической надежности оборудования. Затем методом численного дифференцирования (3.15) по Fz(l) рассчитывается соответствующая функция плотности /г(1). По /s(0 решением интегрального уравнения (3.2) определяется зависимость параметра потока отказов от наработки a)z(l), которая входит в целевую функцию (3.1) По суммарной функции параметра потока отказов рассчитывается рациональная наработка до ремонта. Имеющаяся статистическая информация об отказах и износе оборудования электровозов ВЛ80С депо Лиски Юго-Восточной железной дороги позволяет рассчитать оптимальный пробег до смены бандажей колесных пар с учетом параметрической (изменение толщины бандажа) и непараметрической (ослабление бандажа) надежности. Функция распределения наработки между отказами FH(L), функция распределения ресурса Fn(l) и суммарная функция вероятности отказа Fz(l) колесной пары электровозов ВЛ80С по причине неисправности бандажа показаны на рис.4.6.
