К вопросу о переходе эксплуатации локомотивов по техническому состоянию

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ

УДК 629

А. Ю. Балакин, А. Д. Росляков, П. В. Шепелин

К ВОПРОСУ О ПЕРЕХОДЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛОКОМОТИВОВ ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ СОСТОЯНИЮ

Дата поступления: 14.01.2016 Решение о публикации: 18.01.2016

Цель: Усовершенствовать подходы к повышению эффективности работы локомотивов. Методы: Исследования проведены теоретическими и экспериментальными методами. Результаты: Анализ факторов, влияющих на эффективность работы локомотивов, показал, что наряду с традиционными путями повышения эффективности работы локомотивов целесообразно отрабатывать и внедрять эксплуатацию локомотивов по техническому состоянию, выполнять мониторинг технического состояния деталей, сборочных единиц и агрегатов, определяющих ресурс. Показаны особенности метода эксплуатации локомотивов по техническому состоянию путём прогнозирования остаточного ресурса деталей, где используются традиционные подходы к оценке долговечности деталей при статическом нагружении по кривым длительной прочности и при циклическом нагружении по кривым малоцикловой усталости. Практическая значимость: Определение остаточного ресурса деталей на основе информации о параметрах на стационарных и переменных режимах, полученной с использованием автоматизированной системы диагностирования хническо-го состояния локомотива, позволит делать прогнозы о сроках замены отдельных деталей и агрегатов, которые не имеют явных внешних признаков выработки ресурса; выявлять детали, требующие более частого осмотра или контроля специальными средствами диагностирования; отрабатывать оптимальные режимы эксплуатации с учётом минимизацией суммарных затрат на функционирование тепловозов в режимах тяги. Предложенные подходы являются составной частью системы автоматизированной оценки выработки ресурса наиболее нагруженных деталей и сборочных единиц и жизненного цикла локомотивов в целом. Математические зависимости и тренды изменения несущей способности материалов могут быть встроены в систему эксплуатационного мониторинга режимов работы локомотивов и выполнять расчётное определение остаточного ресурса деталей в условиях реальной эксплуатации локомотивов.

Локомотивы, остаточный ресурс, малоцикловая усталость, статическое нагружение, длительная прочность, техническое состояние.

7

*Andrey Yu. Balakin, Cand. Sci. (Eng.), department chairman, a.balakin@samgups.ru; And-rey D. Roslyakov, D. Eng., associate professor, professor; Pavel V. Shepelin, Cand. Sci. (Eng.), department chairman (Samara State Transport University) ON LOCOMOTIVE SERVICE TRANSFER BY TECHNICAL CONDITION

Objective: To improve approaches to increasing efficiency of locomotive operation. Methods: Studies were conducted by theoretical and experimental methods. Results: Analysis of factors influencing efficiency of locomotives' operation indicated that alongside traditional methods for increasing efficiency of locomotives' operation it is worthwhile to develop and introduce locomotive service by technical condition, and to monitor technical condition of details, assembly and integral units which determine the service life. Shown are the specific features of the method of locomotive operation by technical condition through forecasting details' remaining life time which deploys traditional approaches to details' longevity evaluation by long-term strength curves under static loading and by low-cycle fatigue curves. Practical importance: Estimation of details' remaining life time on the basis of information concerning parameters under stationary and variable conditions, obtained via the automatic test system of the locomotive's technical condition, will allow to make forecasts regarding the terms of replacement of individual details and assembly units, which do not display obvious outward signs of running out of remaining life; to identify details which require more frequent inspection or checks by special diagnosis tools; to develop optimum operation regimes which take into account minimisation of combined costs for functioning of diesel-powered locomotives in traction regimes. The proposed approaches constitute a component of a system of automated evaluation of remaining life of the most stressed details and assembly units and of the life cycle of the locomotive as a whole. Mathematical dependencies and progression trends of materials' load-bearing capacity can be built into the system for operational monitoring of locomotives' operating regimes and to carry out calculation estimation of details' remaining life in the condition of real-time operation of locomotives.

Locomotive, remaining life time, low-cycle fatigue, static loading, long-term strength, technical condition.

Проблема повышения надежности локомотивов является частью общей проблемы безопасности и регулярности движения железнодорожного транспорта.

Различают две основные стратегии восстановления материальной части: по наработке, когда машина изымается из эксплуатации по достижении ранее заданной наработки; по состоянию, когда машину ставят в ремонт только в случае отказа или близкого к отказу состояния оборудования. Каждая стратегия имеет свои преимущества и недостатки.

Недостаток обслуживания по наработке заключается в том, что в процессе выполнения планового техобслуживания (ТО) или технического ремонта (ТР) оборудование демонтируют независимо от его технического состояния, что может не только не улучшить, но и ухудшить его техническое состояние, так как при этом имеют место отказы, связанные с приработкой.

8

Состояние вопроса в области оценки технического состояния локомотивов

При ТО и ТР по состоянию объем и периодичность операций определяются фактическим техническим состоянием оборудования локомотива, которое контролируется с помощью средств технической диагностики. В этом случае операции по замене, регулировке и восстановлению назначают при обнаружении неработоспособного оборудования или его предотказного состояния. Существенным недостатком такого подхода является то, что техническое состояние локомотива определяется по внешним признакам, таким как повышение вибраций, изменение параметров, характеризующих работу оборудования и систем локомотива, изменения геометрических параметров, в том числе износ поверхности, трещины, деформации деталей. Однако при этом имеют место изменения в материале конструктивных элементов на кристаллическом или молекулярном уровне, которые незаметно нарастают, приводят к накоплению статической и динамической усталости и к так называемому старению материала. В некоторых случаях детали исчерпывают назначенный ресурс и могут привести к неожиданным, на первый взгляд, поломкам и к разрушению других элементов конструкции.

Расчетно-экспериментальный метод прогнозирования остаточного ресурса

Наиболее сложной задачей является прогнозирование остаточного ресурса деталей, находящихся под воздействием комплекса повреждающих факторов, основным из которых являются циклические напряжения [3-5]. Известны средства контроля выработки ресурса отдельных деталей двигателей, где используют традиционные подходы к оценке долговечности деталей при статическом нагружении по кривым длительной прочности и при циклическом нагружении по кривым малоцикловой усталости.

Рассмотрим ограниченный фрагмент такого подхода на примере жаропрочного сплава на никелевой основе ЭИ698 (ХН73МБТЮ), который применяется для изготовления деталей газовых турбин: дисков, дефлекторов, лабиринтов с рабочей температурой до +750 °C, крепежных и других деталей, работающих при температуре до 750-800 °C.

Кривая усталостной прочности сплава ЭИ698, полученная при испытаниях образцов с V-образным концентратором с радиусом надреза 0,2 мм приведена на рисунке. Можно выделить четыре характерных зоны [1, 2]:

1) практически статического разрушения (циклическая долговечность от 1 до нескольких десятков, а иногда и сотен циклов до разрушения) - излом при этом практически не отличается от статического, а величина амплитуды разрушающего напряжения близка к пределу прочности;

9

2) малоцикловой усталости (циклическая долговечность от нескольких десятков до 10-15 тыс. циклов);

3) переходную (циклическая долговечность от 10-15 тыс. до 1-2 млн циклов);

4) многоцикловой усталости (циклическая долговечность более 1-2 млн циклов).

Для реализации стратегии восстановления локомотивов по техническому состоянию путём прогнозирования остаточного ресурса деталей необходимо:

• иметь кривые усталостной прочности для всех материалов, из которых изготовлены детали, испытывающие повышенные нагрузки и определяющие надёжность локомотива;

• отработать расчётные или экспериментальные методы определения статических и динамических напряжений в элементах конструкции;

• отработать методы суммирования статической и динамической усталости материала для определения остаточного ресурса деталей с учётом нормированных коэффициентов запаса прочности.

К преимуществам метода можно отнести его универсальность. Если фрагменты метода отработаны в других отраслях, где используются аналогичные материалы, например, в общем машиностроении, в авиационнокосмической технике, в энергетическом оборудовании и т. д., то можно использовать кривые усталостной прочности материалов и частично методы определения напряжений.

Задачу расчётного определения остаточного ресурса деталей целесообразно решать в такой последовательности:

• опрос данных по рабочим параметрам локомотива;

10

• определение реальных переходных режимов и расчёт числа этих циклов за время эксплуатации;

• определение степени повреждения деталей расчётным путём и суммирование повреждений.

Заключение

Таким образом, определение остаточного ресурса деталей на основе информации о параметрах на стационарных и переменных режимах, полученной с использованием автоматизированной системы диагностирования технического состояния локомотива, позволяет решить ряд важных задач, в том числе прогнозировать сроки замены отдельных деталей и агрегатов; выявлять детали, требующие более частого осмотра или контроля специальными средствами диагностирования; отрабатывать оптимальные режимы эксплуатации с учётом минимизацией суммарных затрат на функционирование тепловозов в режимах тяги.

Библиографический список

1. Биргер И. А. Термопрочность деталей машин / И. А. Биргер, Б. Ф. Шорр, И. В. Де-мьянушко и др. - М. : Машиностроение, 1975. - 455 с.

2. Кочеров Е. П. Охлаждение ступеней турбин авиационных ГТД : учеб. пособие / Е. П. Кочеров, Е. Л. Михеенков. - Самара : Изд-во Самар. гос. аэрокосмич. ун-та, 2007. -255 с.

3. Махутов Н. А. Усталость материалов в широком диапазоне числа циклов / Н. А. Махутов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2004. - Т. 70, № 4. -С. 37-41.

4. Петрова И. М. Оценка циклической прочности конструкционных сталей в области длительной долговечности / И. М. Петрова, И. В. Гадолина // Вестн. машиностроения. - 2005. - № 10. - С. 23-27.

5. Тереньтьев В. Ф. Усталость высокопрочных сталей / В. Ф. Тереньтьев // Деформация и разрушение материалов. - 2006. - № 8. - С. 2-11.

References

1. Birger I. A., Shorr B. F., Demyanushko I. V., Dulnev R. A. & Sizova R. N. Termo-prochnost detaley mashin [Thermostability of machine parts]. Moscow, Mashinostroyeniye, 1975. 455 p.

2. Kocherov Ye. P. & Mikheyenkov Ye. L. Okhlazhdeniye stupeney turbin aviatsionnykh GTD: uchebnoye posobiye [Cooling of turbine stages of aviation gas-turbine engines: study

11

guide]. Samara, Izdatelstvo Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta, 2007. 255 p.

3. Makhutov N.A. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov - Factory laboratory. Diagnotics of materials, 2004, Vol. 70, no. 4, pp. 37-41.

4. Petrova I. M. & Gadolina I. V. Vestnik mashinostroyeniya - Machine engineering newsletter, 2005, no. 10, pp. 23-27.

5. Terentyev V. F. Deformatsiya i razrusheniye materialov - Deformation and destruction of materials, 2006, no. 8, pp. 2-11.

*БАЛАКИН Андрей Юрьевич - канд. техн. наук, заведующий кафедрой, a.balakin@samgups. ru; РОСЛЯКОВ Андрей Дмитриевич - д-р техн. наук, доцент, профессор; ШЕПЕЛИН Павел Викторович - канд. техн. наук, заведующий кафедрой (Самарский государственный университет путей сообщения).

© Балакин А. Ю., Росляков А. Д., Шепелин П. В., 2015

12