- RU
- ENG
Универсальный токарно-винторезный станок модели CS6266Bх1500 (Ø660 х 1500 мм)Страна: КитайПроизводитель:
Рассмотрены основные причины износа и способы повышения ресурса бандажей колесных пар. На основании анализа процессов изнашивания и наработок на отказ определены показатели долговечности и безотказности бандажей колесных пар с учетом постепенных и внезапных отказов при рассмотренных способах увеличения их ресурса. Приведены результаты расчетов.
На протяжении последних лет на железных дорогах России наблюдается увеличение износа бандажей тягового подвижного состава (ТПС). Анализ формы ТО-3 показал, что за последние пять лет количество обточек бандажей электровозов, выполненных на сети железных дорог, возросло на 37 %.
Проблема износа бандажей — комплексная, ее решение зависит от технического состояния и развития путевого, локомотивного и вагонного хозяйств. Среди факторов, влияющих на износ бандажей колесных пар и относящихся к техническому состоянию пути, следует выделить: переход на колею с 1524 на 1520 мм (унификация); применение объемнозакаленных рельсов более тяжелых типов; завышение или занижение возвышения наружного рельса в кривых; разуклонка рельсов и техническое содержание пути. Основные факторы, влияющие на износ бандажей и относящиеся к локомотивному хозяйству, следующие: несовершенство рессорного подвешивания; разность диаметров поверхностей катания бандажей одной колесной пары; асимметрия колесных пар при расположении их в раме тележки; статическая развеска колесных пар и повышение массы поезда. По мнению многих специалистов, главенствующую роль в процессе увеличения износа бандажей сыграло завершение перевода эксплуатационного вагонного парка на подшипники качения. В связи с этим гребни бандажей колесных пар и рельсов стали работать в режиме сухого трения из-за прекращения поступления в зону контакта жидкой смазки из подшипников скольжения.
Потери, связанные с повышенным износом бандажей колесных пар, в масштабах ОАО «Российские железные дороги (РЖД)» огромны и оказывают существенное влияние на экономические показатели железнодорожных перевозок. Согласно указанию МПС № П-1328 и правилам ремонта смена бандажей грузовых электровозов должна выполняться через 600 тыс. км. В некоторых случаях, по согласованию с Департаментом локомотивного хозяйства ОАО «РЖД» этот пробег может дифференцироваться. Однако в большинстве локомотивных депо износ колесных пар такой, что смена бандажей происходит намного раньше установленного срока. Поэтому проблема повышения износостойкости и соответственно ресурса бандажей колесных пар, поддержания их в работоспособном состоянии, своевременное определение рациональных объемов их ремонтов является одной из важнейших технико-экономических задач, решение которой приведет не только к повышению безопасности движения поездов, но и создаст условия для дальнейшего совершенствования системы ремонта ТПС.
Департамент локомотивного хозяйства ОАО «РЖД» постоянно проводит работы по снижению износа бандажей колесных пар.
В условиях локомотивного депо эти работы можно объединить в шесть больших групп, которые охватывают:
1) исследование взаимодействия колеса с рельсом и определение факторов, влияющих на изнашивание бандажей;
2) конструктивные мероприятия по повышению ресурса;
3) технологические методы упрочнения бандажей;
4) мероприятия по уменьшению сил трения между гребнем бандажа и рельсом;
5) контроль и прогнозирование технического состояния;
6) оптимизацию системы технического обслуживания и ремонта и совершенствование обработки бандажей.
Мероприятия по увеличению ресурса бандажей электровозов BJI10 локомотивного депо Рыбное Московской железной дороги. При больших локомотивных парках можно проводить комбинированные ресурсные испытания с использованием различных технологий. В условиях рельсосмазывания были испытаны бандажи следующих видов:
В качестве антифрикционного материала в гребнесмазывателях был использован графитсодержащий смазывающий материал РС-6В.
В процессе эксплуатации бандажей колесных пар могут возникать отказы двух видов [1]: постепенные, вызванные износом элементов бандажей колесных пар и выходом их контролируемых параметров за установленный допуск, и внезапные, обусловленные ошибками при ведении поезда, браком при изготовлении колесных пар и др. Внезапные отказы не удается предупредить в эксплуатации, но интенсивность их возникновения зависит от износа бандажей.
Так как факторы, влияющие на износ бандажей и их внезапные отказы, являются случайными, то для определения показателей долговечности и безотказности бандажей ТПС необходимо воспользоваться методами теории вероятности и надежности. Эта задача решается в три этапа.
I. На первом этапе на основании анализа изменения контролируемых параметров бандажей определяют показатели их долговечности. Контролируемыми параметрами, характеризующими изнашивание бандажей и определяющими периодичность проведения их обточки, являются прокат по кругу катания, толщина и крутизна гребня. Изменение контролируемых параметров рассматривается в зависимости от пробега, отсчет которого производится от момента полного восстановления (обточки). Для получения с необходимой точностью статистических оценок, характеризующих развитие процесса изнашивания бандажей, размер сформированной выборки контролируемых параметров должен быть не менее минимально допустимой. Исследованиями [1,2] установлено, что для определения показателей долговечности бандажей ТПС размер минимально допустимой выборки контролируемых параметров находится в пределах 40...80 замеров. Из табл. 1 видно, что объем статистических данных достаточен для достоверной оценки показателей долговечности бандажей.
Контролируемый параметр бандажей является непрерывной случайной величиной, закон распределения которой может быть представлен плотностью распределения ƒ(x).
Так как на процесс изнашивания бандажей воздействует большое число случайных факторов (химический состав материала и физические свойства бандажа; качество его изготовления; его прочностные характеристики; климатические условия его эксплуатации; состояние пути и зависящие от него динамические нагрузки и др.), среди которых нельзя выделить преобладающий, то контролируемые параметры бандажей ТПС при фиксированной наработке описываются нормальным законом распределения [3], числовыми характеристиками которого являются математическое ожидание 
и среднеквадратическое отклонение 
:
;
,
где N(li) — объем выборки контролируемых параметров при наработке li; xj(li) — значение контролируемого параметра при наработке li.
В результате вычислений, выполненных по каждой совокупности контролируемых параметров, получены соответствующие средние значения и среднеквадратические отклонения , которые для удобства можно представить в виде таблицы (рис. 1).
По полученным значениям числовых характеристик контролируемых параметров бандажей 
, 
и известному закону распределения можно прогнозировать процесс их изменения в области больших наработок с целью определения ресурса, для чего определяют аналитические зависимости mx(l), σx(l) от наработки.
Так как в депо измерение контролируемых параметров бандажей ТПС производят раз в месяц, т. е. через 10... 15 тыс. км (приработочный период к этому моменту уже заканчивается), а допуски на значения контролируемых параметров устанавливают так, чтобы предупредить наступление периода усиленного износа (наблюдение заканчивается прежде, чем наступит этот период), то эмпирические зависимости числовых характеристик и контролируемых параметров бандажей достаточно хорошо аппроксимируются линейной зависимостью: у = al + b, где а и b — коэффициенты. Коэффициент а аналитической зависимости mx(l) по своему физическому смыслу характеризует интенсивность изнашивания бандажей.
Результаты расчета интенсивности изнашивания бандажей электровозов ВЛ10 локомотивного депо Рыбное приведены на рис. 2. Анализ показывает, что рассмотренные технологические мероприятия по увеличению ресурса практически не влияют на интенсивность изнашивания бандажей по кругу катания. Исключение составляет система НГ + АГС-8 (интенсивность износа 1,12 мм/100 тыс. км, что почти в 2 раза меньше по сравнению с другими рассматриваемыми системами). Такой результат, очевидно, обусловлен неточностью измерения. Интенсивность износа бандажей по толщине и крутизне гребня снижается по мере внедрения технологических мероприятий. Использование плазменного упрочнения и автоматических гребнесмазывателей АГС-8 с бандажами профиля I позволяет снизить интенсивность их износа по толщине гребня почти в 2 раза, а по крутизне гребня — 2,3 раза, в то время как применение бандажей с профилем II позволяет снизить интенсивность их износа по толщине гребня в 4...5 раз, а по крутизне гребня — более чем в 10 раз. Поэтому основным направлением по снижению износа бандажей по толщине и крутизне гребня в депо Рыбное является использование бандажей с профилем II.
Для определения пробега бандажей колесных пар до обточки необходимо рассчитать функции распределения ресурса F(l). Для этого в выражения mx(l) и σx(l) подставляют значения пробегов, рассчитывают числовые характеристики в области экстраполяции и строят функции плотности нормального закона распределения f (x, l) (рис. 3). Как видно, с ростом пробега l увеличивается вероятность того, что значение контролируемого параметра выйдет за пределы установленного допуска (заштрихованная часть площади, ограниченная кривой плотности распределения контролируемого параметра). Выход контролируемого параметра за установленный допуск классифицируется как отказ деталей из-за предельного износа. Пробег, при котором вероятность безотказной работы детали равна заданному значению γ = (1 — Q) • 100 % (Q — вероятность отказа), называется гамма-процентным ресурсом lγ.
Значение функции распределения ресурса F(li) при фиксированной наработке li определяется выражением
где f(x, li) — функция плотности нормального закона распределения контролируемого параметра бандажей при фиксированной наработке li; а и b — пределы интегрирования.
Для увеличивающегося контролируемого параметра (проката бандажа) а = хдоп, b = mх(l) + 3σх(l); для уменьшающегося контролируемого параметра (толщины и крутизны гребня)
а = mх(l) — 3σх(l); b = хдоп; хдоп – допустимое значение контролируемого параметра.
На рис. 4 приведены результаты расчета 90%-х ресурсов бандажей (до обточки) электровозов BJI10 локомотивного депо Рыбное, из которого видно, что при использовании бандажей с профилем I контролируемыми параметрами, лимитирующими обточку, являются толщина (система УГ + АГС-8) и крутизна гребня (системы НГ, НГ + АГС-8, УГ). Применение бандажей с профилем II позволяет решить такую проблему, как обточка по крутизне гребня, и перейти к обточкам по толщине гребня (системы НД, НД + АГС-8, УД) и даже по прокату (система УД + АГС-8).
Как уже отмечалось, обточка бандажей может быть обусловлена не только достижением предельного значения износа по кругу катания (проката), толщины гребня или крутизны гребня, но и потерей работоспособности по таким причинам, как раковина на поверхности катания, остроконечный накат гребня, ползун, кольцевая выработка и др. С внедрением систем лубрикации в кривых участках пути и на локомотивах значительно увеличилось число бракованных бандажей из-за выщербин, появление которых обусловлено водородным износом бандажей.
II. На втором этапе определяют показатели безотказности бандажей по информации об их наработках на отказ. Для принятия решения о целесообразности проведения планово-предупредительного ремонта с целью предотвращения наступления внезапных отказов необходимо рассчитать и построить диаграмму параметра потока отказов.
Параметр потока отказов в интервалах наработки определяют по формуле
где Δm — число отказов оборудования в интервале наработки Δl; N(l) — число бандажей, находящихся под наблюдением в интервале Δl; Δl — продолжительность интервала.
Проведенный анализ показал, что с увеличением наработки от момента обточки параметр потока отказов бандажей возрастает. Поэтому при определении показателей безотказности и долговечности необходимо учитывать внезапные отказы. Для оценки показателей безотказности используется функция распределения наработки на отказ FH(l). Расчет эмпирической функции распределения наработки на отказ 
осуществляется на основании наложения процессов восстановления бандажей [1]:
где mi(l) — число отказов i-го бандажа, предшествующее наработке l; ni(Li) — число отказов i-го бандажа за наработку Li, N(l) — число бандажей, находящихся в эксплуатации в период наработки l.
Чтобы прогнозировать изменения показателей безотказности бандажей в области больших наработок, необходимо по рассчитанной усеченной функции распределения подобрать теоретическую функцию распределения FH(l). Подбор теоретической функции осуществляется ее сравнением со статистической на интервале наблюдения в предположении, что теоретическая функция и ее числовые характеристики будут неизменными в области больших наработок. Для обеспечения максимальной точности при подборе теоретической функции в качестве критерия оптимальности необходимо использовать минимум суммы квадратов отклонений между статистической и теоретической функциями распределения наработки на отказ.
Расчет функций распределения наработок на отказ бандажей электровозов BЛ10 локомотивного депо Рыбное проводили для следующих законов распределений: экспоненциального, нормального, Гамма-распределения и распределения Вейбулла. Результаты расчета подобранных функций распределения наработок на отказ приведены в табл. 2.
III. При повышенных значениях дисперсии контролируемых параметров бандажей, даже если прокат нарастает в среднем с большей интенсивностью, чем уменьшаются толщина и крутизна гребня, отказ некоторых бандажей из-за достижения минимального допустимого значения толщины или крутизны гребня происходит раньше, чем износ по кругу катания (прокат) выйдет за пределы установленного допуска (и наоборот). Кроме того, анализ информации о наработках на отказ бандажей электровозов BЛ10 локомотивного депо Рыбное показал, что с увеличением наработки от момента обточки возрастает параметр потока отказов бандажей. Следовательно, по мере увеличения износа бандажей от момента их полного восстановления возрастает скорость нарастания числа их внезапных отказов, из-за которых обточку бандажа необходимо производить значительно раньше наработки, при которой значение одного из контролируемых параметров выйдет за пределы допустимого. Поэтому на третьем этапе рассчитывают показатели долговечности и безотказности бандажей с учетом постепенных и внезапных отказов. В этом случае вероятность безотказной работы определяется как вероятность сложного события, состоящего в том, что в течение рассматриваемой наработки не произойдет ни одного из постепенных (вызванных выходом одного из контролируемых параметров за допустимое значение) и внезапных отказов:
PΣ(l) = Pпр(l)Pт.гр(l)Pк.гр(l)PH(l),
где Рпр(l) — вероятность того, что при данной наработке прокат не выйдет за пределы допуска; Рт.гр(l) — вероятность того, что при данной наработке толщина гребня не выйдет за пределы допуска; Рк.гр(l) — вероятность того, что при данной наработке крутизна гребня не выйдет за пределы допуска; РH(l) — вероятность того, что при данной наработке не возникнет внезапный отказ.
Так как отказ есть событие, противоположное безотказной работе, то вероятность отказа FΣ(l) (суммарную функцию распределения ресурса) при наработке l определяют по формуле
FΣ(l) = 1 – PΣ(l).
Из приведенных в качестве примера (рис. 5) показателей долговечности и безотказности системы УД + АГС-8 и результатов расчета 90%-х ресурсов (рис. 6) бандажей колесных пар с учетом постепенных и внезапных отказов электровозов BЛ10 локомотивного депо Рыбное видно, что ресурс бандажей ТПС необходимо определять с учетом как постепенных, так и внезапных отказов. Для увеличения ресурса бандажей колесных пар в локомотивном депо Рыбное целесообразно использовать бандажи с профилем II, так как их ресурс до обточки существенно выше, чем у бандажей с профилем I. Для локомотивного депо Рыбное ресурс до обточки увеличивается на 30...50 % в зависимости от применяемой технологии (см. рис. 6).
Выводы
С.В. Филимонов, А.В. Скребков, И.В. Симакин, С.А. Алексеев
Журнал «Ремонт, восстановление, модернизация», №9 2004 г.
Литература:
