Разработка методики оценки остаточного ресурса несущих конструкций подвижного состава в условиях неполноты исходных данных

Общетехнические и социальные проблемы

С помощью построенной модели тягового электродвигателя ЭДУ-133 можно анализировать процесс распределения тепловых полей на поверхности якоря электрической машины с достаточной точностью (погрешность определения температуры не превышает 5 %), так как в данном расчете предусмотрена возможность учитывать теплофизические характеристики всех материалов, из которых состоит данная электрическая машина постоянного тока.

Библиографический список

1. Новые электрические машины локомотивов / А. В. Грищенко, Е. В. Козаченко. - М. : ГОУ “Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте”, 2008. - 271 с. - ISBN 978-5-89035-520-1.

2. Теплотехника на подвижном составе железных дорог: учеб. пособие / И. Г. Киселев. - М. : ГОУ “Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте”, 2008. - 278 с.

Статья поступила в редакцию 15.10.2010;

представлена к публикации членом редколлегии А. В. Грищенко.

УДК 625.144.5

В. М. Лафта

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА В УСЛОВИЯХ НЕПОЛНОТЫ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

Статья посвящена вопросам, связанным с развитием методов оценки остаточного ресурса подвижного состава, условия эксплуатации которых недостаточно исследованы. Описываемый в статье метод основан на принципе нечетких множеств, что позволяет учесть фактор неопределенности условий эксплуатации.

срок службы, подвижной состав, остаточный ресурс, неполнота исходных данных.

Введение

Согласно ГОСТ 27.002-89, ресурсом называют суммарную наработку объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. Ресурс тесно связан со сроком службы, определяемым как календарная продолжительность эксплуатации от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние, когда эксплуатация невозможна по тем или иным причинам.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Общетехнические и социальные проблемы

107

В одних случаях причиной прекращения эксплуатации является моральный износ, в других - чрезмерное снижение эффективности, в результате которого дальнейшая эксплуатация объекта становится экономически нецелесообразной, в третьих - снижение показателей безопасности ниже предельно допустимого уровня.

Необходимо отметить, что до перехода России к рыночной экономике срок службы подвижного состава зачастую назначался необоснованно, без учёта перечисленных причин прекращения дальнейшей эксплуатации подвижного состава и путевых машин, и основывался на действовавших тогда нормах амортизационных отчислений. Эти нормы служили основным критерием установления назначенного срока службы подвижного состава, что в ряде случаев и приводило к необоснованному исключению подвижного состава из инвентарного парка. Кроме того, в полной мере не учитывался фактор безусловного соблюдения безопасности перевозки пассажиров и грузов железнодорожным транспортом.

ГОСТ 27.002-89 определяет назначенный ресурс как суммарную наработку, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его технического состояния, а назначенный срок службы - как календарную продолжительность эксплуатации, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его технического состояния [1].

Таким образом, остаточный ресурс подвижного состава является его важной технико-экономической характеристикой. Определение остаточного ресурса подвижного состава позволяет не только предупреждать возможные отказы и непредвиденные достижения предельных состояний, но и более правильно планировать режимы эксплуатации, профилактические мероприятия и снабжение запасными частями. В ряде случаев рентабельная эксплуатация может быть продолжена в условиях снижения нагрузок, т. е. прогнозирование остаточного ресурса можно рассматривать как систему управления процессом эксплуатации и технического обслуживания подвижного состава.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Об8цетехнические и социальные проблемы

1 Основные факторы неопределенности при оценке остаточного ресурса специального подвижного состава

Как было отмечено в проведенных исследованиях [1], [2], [3], к отказам, приводящим к предельному состоянию конструкций специального подвижного состава, при которых его эксплуатация должна быть прекращена, относятся:

1) коррозионный износ основных несущих конструкций;

2) многоцикловая и малоцикловая усталость элементов конструкции. Остальные сценарии потери прочности либо не характерны для специального подвижного состава, либо устраняются плановыми видами ремонта.

Остаточный ресурс базового элемента специального подвижного состава, подвергающегося действию коррозии, определяется по формуле:

S -S

тк Т, ---------LS

а

где - фактическая минимальная толщина стенки элемента, мм;

£р - расчётная толщина стенки элемента, мм; а - скорость равномерной коррозии (эрозионного износа), мм/год.

Если после проведения очередного обследования имелось два измерения контролируемого параметра *S^(t2), £ф(^), то скорость коррозии

определяется по формуле:

а =

t2-tx Кгк2

где *S^(t2), £ф(^1) - фактическая толщина стенки элемента при первом и втором обследованиях соответственно, мм;

ti, tj - время от момента начала эксплуатации до момента первого и второго обследования соответственно, лет;

Ki - коэффициент, учитывающий отличие средней ожидаемой скорости коррозии (эрозии) от гарантированной скорости коррозии (эрозии) с доверительной вероятностью у = 0, 7...0, 95;

K - коэффициент, учитывающий погрешность определения скорости коррозии (эрозии) по линейному закону, от скорости коррозии, рассчитанной по более точным (нелинейным) законам изменения контролируемого параметра.

Анализируя приведенные выше зависимости, можно заметить, что большинство входящих в них параметров не могут быть чётко определены. К таким параметрам относятся:

1) фактическая минимальная толщина стенки элемента (достоверность определения этих величин зависит от погрешности измерений и объема проведенных измерений толщины элемента);

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Общетехнические и социальные проблемы

109

2) расчетная толщина стенки элементов, значение которой зависит от выбранной расчетной схемы и выбранной системы расчетных нагрузок;

3) исполнительная толщина элемента, значение которой может изменяться в пределах конструкционного допуска (при этом значение данного допуска зависит от используемых в конструкции специального подвижного состава материалов, документация на которые может быть неполной или утерянной).

Кроме того, к неопределенным факторам относится также возможное отклонение скорости коррозии от прогнозируемой вследствие нелинейного изменения скорости коррозии в процессе эксплуатации специального подвижного состава, а также других факторов.

Некоторые из указанных выше факторов можно представить в виде случайных величин, однако для оценки параметров их распределения методами математической статистики в процессе реального технического диагностирования, как правило, не удается собрать генеральную совокупность измерений. Фактически значения всех указанных факторов устанавливаются экспертом с учетом всей имеющейся информации.

Оценка ресурса подвижного состава по критериям много- и малоцикловой усталости проводится следующим образом. Величина эквивалентной приведённой амплитуды динамических напряжений при расчёте многоцикловой усталости определяется по дискретной функции плотности распределения амплитуд напряжений [1], [3], [4] по формуле:

G — ГП

а,э *

N

-^+^3л

п

где оаэ - расчётная величина амплитуды динамического напряжения условного симметричного цикла, приведённая к базовому числу циклов No и эквивалентная по повреждающему действию реальному режиму эксплуатационных случайных напряжений за расчётный срок эксплуатации; m - показатель степени в уравнении кривой усталости в амплитудах;

Т^ - расчётный срок эксплуатации, лет;

No - базовое число циклов;

Nc 1,2,3 - число циклов динамических напряжений, действующих на специальный подвижной состав соответственно через автосцепку, от колебаний на рессорах, ремонтных и др.;

ст*. амплитуды динамических напряжений в j диапазонах ударных продольных сил;

а^, - амплитуды динамических напряжений от колебаний на рессорном подвешивании (в к диапазонах);

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

ОВОщетехнические и социальные проблемы

111 v_*

оап - амплитуды динамических напряжении от испытательного внутреннего давления, ремонтных нагрузок и т. д. (в n диапазонах);

Pjkn - частотность возникновения амплитуд при соответствующих

напряжениях.

Величина расчётного срока эксплуатации по критерию многоцикловой усталости определялась по формуле, лет:

{ \т

nе1 х -p'+N^T^.  pll+х

-III

an • Pn

III

k

n

где Ga, n - предел выносливости по амплитуде для контрольной зоны при симметричном цикле и установившемся режиме нагружения при базовом числе циклов N0;

[n] - допускаемый коэффициент запаса сопротивления усталости.

В приведенных выше зависимостях факторами неопределенности являются:

1) усталостные свойства материала, которые определяет показатель степени в уравнении кривой усталости и предел выносливости материала;

2) особенности напряженного состояния элемента конструкции, определяющие эффективный коэффициент концентрации напряжений;

3) действующие динамические напряжения элементов конструкции, которые зависят от выбранной расчетной схемы, схемы нагрузки или условий проведенных испытаний;

4) число циклов нагружения конструкции в разных режимах эксплуатации, которые зависят от интенсивности эксплуатации специального подвижного состава в прошлом и в будущем. В общем случае эта интенсивность зависит от трудноформализуемых факторов.

Для достоверности определения большинства указанных параметров необходимо проведение сложных, дорогостоящих, а в некоторых случаях и разрушающих испытаний. По результатам этих испытаний можно определить параметры указанных факторов как случайных величин.

2 Методы учета неопределенности в решении практических инженерных задач совершенствования подвижного состава

От правильного решения практических инженерных задач зачастую зависит не только эффективность работы конструкции, машины или механизма, что само по себе немаловажно, но и степень риска, связанного с возможными последствиями ее отказа. Стремясь повысить эффективность разрабатываемых конструкций, конструкторы и технологи

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Общетехнические и социальные проблемы

111

усложняют расчетные модели, повышают сложность экспериментов, вводят в сферу рассмотрения новые факторы, влияющие, по их мнению, на эффективность и безопасность конструкции. При этом расхождение между практикой эксплуатации, натурными экспериментами и прогнозируемыми функциональными параметрами конструкции может уменьшиться (что соответствует ожиданиям разработчиков конструкции), увеличиться или непредсказуемо изменяться в каждом конкретном случае.

В свете современных представлений такое поведение реальных конструкций относительно их детерминированных моделей вызвано неопределенностью многих факторов, таких как фактические значения параметров конструкции, релевантность описания реальной конструкции ее математической моделью, неопределенная природа внешних воздействий на конструкцию и многих других. Для учета этих неопределенностей в инженерных моделях применяются различные математические аппараты - теория вероятностей и математическая статистика, теория нечетких множеств, теория хаоса и другие.

Рассмотрим основные виды неопределенностей в описании моделей прочности и надежности подвижного состава [2], [3].

Стохастическая неопределенность параметров модели, например, разброс фактических значений размеров соединения в поле допуска. Стохастическая неопределенность являясь достаточно хорошо изученным видом неопределенности, описывается случайной переменной и обрабатывается методами теории вероятностей.

Лингвистическая неопределенность параметров возникает в тех случаях, когда параметры заданы в качественной шкале, например: «затяжка болта до упора» (лингвистическая неопределенность параметров режима технологии обработки). Лингвистическая неопределенность может описываться лингвистическими переменными, которые обрабатываются методами теории нечетких множеств.

Информационная неопределенность параметров, которая возникает в тех случаях, когда полная информация о параметре недоступна, а определение этой информации невозможно или нецелесообразно.

Информационная неопределенность зависимостей, входящих в модель. Такого вида неопределенность возникает в силу определения понятия «модель», которое подразумевает упрощенное представление о процессах, протекающих в реальной конструкции, с вычленением основных с точки зрения исследователя факторов за счет принимаемых допущений и упрощений. Информационную неопределенность принято характеризовать понятием их релевантности (степени соответствия).

Классификация видов неопределенности при моделировании прочности и надежности конструкций подвижного состава приведена на рис. 1.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

ОШцетехнические и социальные проблемы

Рис. 1. Виды неопределенностей в задачах прогноза прочности соединений

К основным методам оперирования неопределенностью относятся уже весьма давно известные методы теории вероятностей: статистическое моделирование, анализ и синтез корреляционных и регрессионных моделей, дисперсионный, компонентный, кластерный и дискриминантный анализ, спектральный анализ случайных процессов и полей, методы теории информации, теории катастроф и теории восстановления. Однако все построения теории вероятности основаны на возможности многократного достоверного повторения серии экспериментов (выборки). На практике такое построение генеральной совокупности по различным причинам не представляется возможным.

К таким причинам относятся: невозможность или нецелесообразность проведения многократных экспериментов, ограниченность фиксируемого при экспериментах объема информации, а также размытая природа фиксируемой информации. Для оперирования неопределенностью в таких условиях применяются методы теории возможностей, теории нечетких множеств, теории грубых множеств и т. д.

В связи со спецификой задач учета неопределенности при построении моделей определения остаточного срока службы специального подвижного состава для их решения наиболее подходящими являяются методы теории вероятностей и теории нечетких множеств [2], [4], [5].

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Общетехнические и социальные проблемы

113

3 Разработка методики оценки остаточного ресурса несущих конструкций подвижного состава в условиях неполноты исходной информации

В основе методики лежат модели ресурсного отказа несущих конструкций подвижного состава:

•коррозионный износ несущих конструкций;

• потеря прочности несущих конструкций вследствие мало- или многоцикловой усталости.

На первом этапе алгоритма анализируются все нечеткие факторы, которые играют важную роль в оценке остаточного ресурса подвижного состава. Нечеткими факторами являются параметры, информация о точных значениях которых неизвестна. Применение метода синтеза нечетких моделей прочности (FDMS-метод) позволяет учесть влияние этих нечетких факторов на оценку остаточного ресурса несущих конструкций.

В соответствии с разработанной прикладной методикой, основанной на этом методе, по данным объективной информации (отклонений толщи прокатных элементов несущих конструкций, точности результатов толщинометрии и дефектоскопии конструкции и т. д.), а также на основании ряда субъективных оценок (точности определения скорости деградации конструкции, стабильности условий эксплуатации и т. д.) формируются нечеткие значения исходных параметров указанных моделей прочности.

На следующем этапе известными методами осуществляется формирование функций принадлежности исходных данных, полученных на первом этапе. Целью третьего этапа является создание математических моделей нагруженности несущей конструкции подвижного состава в эксплуатации и оценки его остаточного ресурса по критериям коррозионного износа и усталостной прочности. Затем при помощи метода стохастической аппроксимации нечеткого результата определяется нечеткое значение критериальной оценки прочности для планируемого периода продления срока службы машины.

На последнем этапе определяется нечеткое значение остаточного ресурса, которое позволяет оценить степень уверенности в новом назначенном сроке службы и тем самым управлять рисками, возникающими при эксплуатации (см. рис. 2).

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

О14цетехнические и социальные проблемы

1. Сбор исходной информации

Вид информации Метод сбора Что получим

1.1. Исходные параметры конструкций 1. Конструкторская документация 2. Натуральные измерения 3. Анализ результатов толщинометрии Размеры элементов Толщина элементов Допуски на толщину

1.2. Параметры эксплуатации СПС 1. Паспорт машины 2. Эксплуатационная документация Наработка (моточасы или км пробега) в рабочем и транспортном режимах

1.3. Параметры нагруженности СПС (силы действия на СПС): в транспортном режиме в рабочем режиме 1. Нормы... 2. Натурные измерения 3. Математические модели Расчетная нагруженность Экспериментальная нагруженность

1.4. Свойства материала конструкции СПС 1. Нормативная документация 2. Неразрушающие испытания 3. Разрушающие испытания 4. Математическое моделирование ГОСТы на предельные значения Экспериментальная оценка свойств материала Расчётная оценка свойств материала

1.5. Результаты технического диагностирования 1. Проведение обмеров геометрии конструкции 2. Проведение толщинометрии конструкции 3. Проведение неразрушающего контроля Фактические размеры, отклонение геометрии от нормы Фактические толщины с учетом коррозионного и абразивного износа Оценка размеров внутренних дефектов

2. Формирование функций принадлежности исходных данных

I

3. Формирование конечно-элементной математический модели

------------------------------;4-------------------------------

4. Расчет нагруженности конструкции СПС в эксплуатации

1

5. Расчет остаточного ресурса несущей конструкции СПС по критериям предельного состояния: Квазистатическая прочность с учетом износа

Усталостная прочность с учетом износа

_______________________________А_______________________________

6. Расчет функции принадлежности остаточного ресурса методом

-------------------------------Г-------------------------------

7. Оценка остаточного срока службы с заданной величиной риска ц = ?

Рис. 2. Диаграмма оценки остаточного ресурса несущих конструкций подвижного состава в условиях неполноты исходных данных

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Общетехнические и социальные проблемы

115

Заключение

Результатом исследования является разработанная прикладная методика исследования оценки остаточного ресурса несущих конструкций подвижного состава с учетом неопределенности условий их эксплуатации. Методика основана на положениях теории нечетких множеств и позволяет получить в качестве результата достоверность остаточного ресурса несущих конструкций подвижного состава. Для практической реализации методики использованы методы нечетких вычислений, а именно метод стохастической аппроксимации нечеткого результата.

Библиографический список

1. Управление индивидуальным ресурсом вагонов в эксплуатации / А. В. Третьяков. - М. : ОМ-Пресс, 2004. - 348 c. - ISBN 5-901739-08-6.

2. Метод синтеза нечетких моделей прочности для совершенствования соединений элементов конструкций подвижного состава / А. М. Соколов. - М. : ОМ-Пресс, 2006. - 208 c. - ISBN 5-901739-35-3.

3. Контроль динамики железнодорожного подвижного состава / И. Г. Морчиладзе, М. М. Соколов, А. В. Третьяков. - М. : ИБС-холдинг, 2007. -358 с. - ISBN 978-5-98788-013-5.

4. Проектирование, конструирование, расчет и испытания вагонов / И. Г. Морчиладзе, А. М. Соколов, М. М. Соколов. - М. : ИБС-холдинг, 2009. -522 с. - ISBN 978-5-98788-018-0.

5. Разработка и модернизация средств технического обслуживания железнодорожного пути : дис. ... д-ра техн. наук : 05.22.07 : защищена 01.11.07 : утв. 24.02.08 / Сычев Вячеслав Петрович. - М., 2008. - 250 с. - Библиогр.: с. 210-250. - 03400204481.

Статья поступила в редакцию 23.12.2009;

представлена к публикации членом редколлегии А. В. Грищенко.

УДК 656.25

О. А. Наседкин, А. А. Блюдов

ЭКСПЕРТИЗА И ИСПЫТАНИЯ НА БЕЗОПАСНОСТЬ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ЖЕЛЕЗОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ

Сертификация любой системы железнодорожной автоматики и телемеханики необходима для возможности включения её в эксплуатацию. Важными этапами сертификации являются экспертиза и испытания на безопасность. В данной статье

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1