Оценка параметрической надежности поглощающих аппаратов с учетом эксплуатационных факторов

^ ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ

УДК 629.4.01 5:531.19

А. П. Болдырев, П. Д. Жиров, В. В. Ионов

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ПОГЛОЩАЮЩИХ АППАРАТОВ С УЧЕТОМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ

Дата поступления: 08.11.2017 Решение о публикации: 15.11.2017

Аннотация

Цель: Получение количественных оценок параметрической надежности поглощающего аппарата автосцепки ПМКП-110 в виде вероятности безотказной работы, с учетом влияния температурного фактора и срока наработки с помощью разработанной методики оценки. Методы: Применены статистическое моделирование и теория экстремальных значений. Результаты: Проведена апробация методики оценки параметрической надежности с учетом эксплуатационных факторов. Установлено понижение вероятности безотказной работы при отрицательных температурах. Определено, что на начальном этапе работы поглощающего аппарата ПМКП-110 вероятность безотказной работы несколько повышается. Дальнейшая эксплуатация приводит к снижению вероятности безотказной работы. Построены графические зависимости вероятности безотказной работы поглощающего аппарата ПМКП-110 от температуры окружающей среды и наработки. Практическая значимость: На основе разработанной методики возможны расчеты вероятности безотказной работы при проектировании новых поглощающих аппаратов автосцепки с более высокими показателями надежности.

Ключевые слова: Параметрическая надежность, безотказность, грузовые вагоны, поглощающий аппарат, автосцепка, маневровые соударения, нагруженность, продольные силы, теория экстремальных значений, статистическое моделирование, условия эксплуатации, температурный фактор, фактор износа.

*Alexey P. Boldyrev, D. Sci. Eng., associate professor, apb.tubryansk@gmail.com; *Pavel D. Zhyrov, Cand. Sci. Eng., head of a chair, pashadsm@ya.ru (Bryansk State Technical University); Vladimir V. Ionov, Cand. Sci. Eng., general director, vvionov@mail.ru (OOO "Diprom") PARAMETRIC RELIABILITY ASSESSMENT OF A DRAFT GEAR ALLOWING FOR OPERATIONAL FACTORS

Summary

Objective: To get quantitative assessment of parametric reliability of PMKP-110 center-coupler draft gear in the form of probability of no-failure operation, taking into account the influence of a temperature factor and operation time period by means of the developed evaluation method. Methods: Statistical modeling and the theory of extreme values was applied. Results: Parametric reliability evaluation method testing was carried out with allowance for operational factors. The reduction of

probability of no-failure operation under negative temperature was established. It was determined, that at the initial stage of PMKP-110 draft gear operation probability of no-failure operation slightly increases. Further operation leads to the reduction in probability of no-failure operation. Probability of no-failure operation of PMKP-110 draft gear -vs- environmental temperature and operation time curves were built. Practical importance: On the basis of the developed technique, it is possible to perform calculations of probability of no-failure operation when designing new center-coupler draft gears having higher reliability indices.

Keywords: Parametric reliability, failure-free performance, freight cars, draft gear, automatic coupler, shunting collisions, loading, axial forces, extreme value theory, statistical modeling, service conditions, temperature factor, wear factor.

В настоящее время для оценки эффективности работы поглощающих аппаратов используются различные критерии, основными из них являются номинальная и максимальная энергоемкость, полнота силовой характеристики и обобщенный показатель эффективности, которые косвенно указывают, как будет работать конкретный поглощающий аппарат в эксплуатации.

В данной работе в качестве критерия эффективности работы поглощающего аппарата предлагается использовать параметрическую надежность.

Исходя из того, что большая доля ущерба обусловлена повреждениями вагонов и грузов, связанными с действием однократных, но значительных перегрузок, возникающих при соударениях на сортировочных горках, под параметрическим отказом поглощающего аппарата будем понимать превышение продольной силы некоторого нормированного уровня.

В качестве основных причин появления параметрических отказов примем:

1) значительные диапазоны изменения скорости соударения при маневровых операциях на сортировочных горках;

2) большие диапазоны изменения масс вагонов;

3) широкие диапазоны изменения температуры окружающей среды при работе поглощающих аппаратов;

4) износ элементов поглощающих аппаратов.

В качестве показателя параметрической надежности принято использовать вероятность

безотказной работы. До недавнего времени параметрическая надежность оценивалась в квазистатической постановке, вероятность безотказной работы определялась при однократном соударении вагонов, при этом фактор времени эксплуатации не учитывался [1].

Предлагаемая методика расчета параметрической надежности отличается более полным учетом эксплуатационных факторов и в связи вероятности безотказной работы со временем эксплуатации. Методика основана на использовании статистического моделирования и теории экстремальных значений [2].

К основным положениям предлагаемой методики можно отнести:

1) изучение соударений вагонов только при маневровых операциях, так как именно в них возникают наибольшие продольные силы [3];

2) представление поглощающего аппарата как восстанавливаемого объекта;

3) рассмотрение параметрических отказов как перемежающихся;

4) выполнение расчета в форме вычислительного эксперимента;

5) использование для оценки надежности теории экстремальных значений [3];

Алгоритм расчета параметрической надежности реализуется следующим образом:

• формирование расчетных ситуаций, определяющих условия вычислительных опытов, и оценка их вероятностей;

• оценка максимальных продольных сил, возникающих в расчетных ситуациях;

• моделирование расчетных ситуаций и продольных сил с учетом их рассеяния;

• формирование выборок (реализаций) максимальных продольных сил за заданный период эксплуатации;

• оценка абсолютных максимумов сил в выборках;

• теоретическое описание распределения абсолютных максимумов сил;

• оценка параметрической надежности поглощающего аппарата для заданного нормированного уровня силы и периода эксплуатации [4].

В качестве оценки работоспособности предлагаемой методики была рассчитана вероятность безотказной работы серийного поглощающего аппарата ПМКП-110 [5] для различных срока и условий эксплуатации.

Общий вид аппарата представлен на рис. 1.

Аппарат ПМКП-110 (рис. 1) состоит из корпуса 1, двух неподвижных пластин 2 с ме-таллокерамическими элементами, двух подвижных пластин 3, двух клиньев 4, нажимного конуса 5, пластины опорной 6, комплекта из пяти полимерных элементов 7, четырех пластин 8 и стяжного болта 9 с гайкой. Аппарат имеет максимальный ход х = 0,11 м [6].

max ' L J

Математическая модель, описывающая силовую характеристику поглощающего аппарата ПМКП-110, имеет вид [7, 8]

S ( х, V) =

Wi(v)ilF ( х, v) при х < a, v > 0; у 2(v)i1F ( х, v) при х > a, v > 0;

c

v > 0;

пРи х > хтах,

Vi p

ПРИ хтах2 - a < х < Xmax2, v < 0;

V 2 p

ПРИ х < хтах2 - a v < 0;

С

при х > хт

v < 0,

где х - ход аппарата; V - скорость аппарата; а -ход первой ступени; ^ - коэффициенты передачи; с - жесткость корпуса аппарата; - коэффициент передачи при отсутствии трения; Хтах - максимально возможный ход аппарата; Хтах2 - максимальный ход аппарата, достигнутый в данной ситуации; F(х,v) - динамическая характеристика комплекта полимерных элементов аппарата.

3 z 1

Рис. 1. Общий вид аппарата ПМКП-110

Запишем динамическую силовую характеристику комплекта полимерных элементов следующим образом:

F

1 + •

+ Ц- v,

здесь пСТ - коэффициент необратимого поглощения энергии; ц - коэффициент вязкого сопротивления; S(x) - статическая силовая характеристика комплекта полимерных элементов, параметры которой зависят от температуры окружающей среды T.

Характеристика S(x) описывалась неполным полиномом 5-й степени, ее параметры определялись по данным натурных испытаний комплекта полимерных элементов в диапазоне температур от -60 до +51 °C [9].

На основе статистических распределений масс вагонов [10], скоростей соударений при маневровых операциях на сортировочных горках [11], вероятностей попадания вагонов в определенные температурные условия и износа деталей поглощающих аппаратов [3] формировались различные расчетные ситуации. С учетом представленных статистических распределений масс, скоростей, температур и износа рассматривалось 5760 расчетных ситуаций.

Оценку динамических продольных сил для каждой расчетной ситуации осуществляли в программной комплексе «Train» с использо-

ванием расчетной схемы соударения вагона с неподвижным упором [12. 13].

Расчеты выполняли для различных нормированных значений продольной силы и разных наработок, выраженных в числе маневровых операций. Всего было реализовано 16 вычислительных экспериментов с разными уровнями температуры окружающей среды и 5 вычислительных экспериментов с разной степенью изношенности аппарата.

Для описания рассеяния абсолютного максимума силы использовали распределение Гумбеля [14]. Проверка по %2 - критерию Пирсона [15] подтвердила адекватность распределения Гумбеля с доверительной вероятностью 0,9.

Для примера на рис. 2 представлены зависимости вероятности безотказной работы поглощающего аппарата ПМКП-110 от температуры окружающей среды при наработках 1 и 3 года эксплуатации для нормированного уровня силы 3,5 МН.

В результате проделанной работы пришли к следующим выводам:

1) при отрицательных температурах вероятность безотказной работы аппарата ниже, чем при положительных;

2) с увеличением наработки вероятность безотказной работы снижается;

3) на начальном этапе за счет износа его элементов вероятность безотказной работы

Рис. 2. Зависимость вероятности безотказной работы поглощающего аппарата ПМКП-110 от температуры и наработки: а - 1 год эксплуатации; б - 3 года эксплуатации

несколько повышается. Дальнейшая эксплуатация приводит к понижению вероятности безотказной работы.

Библиографический список

1. Гореленков А. И. Разработка метода оценки нагруженности грузового вагона продольными силами в условиях его эксплуатации : дисс. ... канд. техн. наук : 05.22.07 / А. И. Гореленков. - Брянск : БГТУ, 1996. - 145 с.

2. Тихонов В. И. Выбросы траекторий случайных процессов / В. И. Тихонов, В. И. Хименко. - М. : Наука, 1987. - 304 с.

3. Болдырев А. П. Научные основы совершенствования поглощающих аппаратов автосцепки : дисс. . докт. техн. наук : 05.22.07 / А. П. Болдырев. - Брянск : БГТУ, 2006. - 360 с.

4. Жиров П. Д. Оценка влияния эксплуатационных факторов на эффективность работы поглощающих аппаратов автосцепки : дисс. . канд. техн. наук ; 05.22.07 / П. Д. Жиров. - Брянск : БГТУ, 2012. - 131 с.

5. Кеглин Б. Г. Повышение эффективности комбинированных фрикционных поглощающих аппаратов на базе ПМК-110А / Б. Г. Кеглин, А. П. Болдырев, А. В. Иванов, Д. А. Ступин // Проблемы механики железнодорожного транспорта : динамика, прочность и безопасность движения подвижного состава : тез докл. XI Междунар. конференции. -Днепропетровск : ДИИТ, 2004. - С. 120-126.

6. Патент 2128301 РФ МПК 6 Б 16 Б 7/08, В 61 в 9/02. Фрикционный амортизатор / Б. Г. Ке-глин, А. П. Болдырев, А. Т. Харитонов, Д. А. Сту-пин, А. В. Иванов, О. А. Ульянов, Т. Н. Прилепо, А. М. Сухов, Я. М. Синельников. - Бюл. по делам изобретений и открытий № 9. - 1999. - 27 марта.

7. Болдырев А. П. Расчет и проектирование амортизаторов удара подвижного состава / А. П. Болдырев, Б. Г. Кеглин. - М. : Машиностроение-1, 2004. -199 с.

8. Болдырев А. П. Расчетно-экспериментальная оценка рациональных параметров конструкции поглощающего аппарата ПМКП-110 с полимерным подпорным блоком / А. П. Болдырев, А. Г. Белоусов // Динамика, прочность и надежность транспортных машин : сб. науч. тр. - Брянск : БГТУ, 2003. - С. 15-27.

9. Жиров П. Д. Разработка математической модели и расчет характеристик поглощающего аппарата автосцепки с полимерными элементами при различных температурах окружающей среды / П. Д. Жиров, А. П. Болдырев // Вестн. Брянск. гос. техн. ун-та. - 2010. - № 4. - С. 55-58.

10. Болдырев А. П. Основные тенденции грузоперевозок железнодорожным транспортом России / А. П. Болдырев, А. М. Гуров, Э. А. Фатьков // Вестн. Брянск. гос. техн. ун-та. - 2007. - № 4 (16). -С. 47-49.

11. Гореленков А. И. Статистические распределения продольных нагрузок, действующих на грузовой вагон при переходных режимах движения поезда / А. И. Гореленков // Динамика, прочность и надежность транспортных машин ; под ред. А. П. Шлюшенкова. - Брянск : Изд-во Брянск. гос. техн. ун-та, 1997. - С. 11-19.

12. Фатьков Э. А. Математическое моделирование работы современных поглощающих аппаратов автосцепки и разработка программного комплекса для расчета их характеристик : дисс. . канд. техн. наук : 05.13.18 / Э. А. Фатьков. - Брянск : БГТУ, 2009. - 141 с.

13. Болдырев А. П. Программный комплекс для моделирования расчета динамических характе-рисгик транспортных экипажей / А. П. Болдырев, Э. А. Фатьков // Состояние, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на промышленных предприятиях : материалы Междунар. науч.-практ. конференции (1618 ноября 2009 г., г. Брянск) ; под ред. В. И. Авер-ченкова. - Брянск : БГТУ, 2009. - С. 96.

14. Левин Б. Р. Справочник по надежности : в 3 т. / Б. Р. Левин. - М. : Мир, 1969. - Т. 1. - 339 с.

15. Степнов М. Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний / М. Н. Степнов. - М. : Машиностроение, 1985. -232 с.

References

1. Gorelenkov A. I. Razrabotka metoda otsen-ky nagruzhennosty gruzovogo vagona prodolnymy sylamy v usloviyakh yego ekspluatatsii [The development of the evaluation method of freight car loading with axial forces in operating conditions]: diss... Cand.

Sci. Eng.: 05.22.07. Bryansk, BSTU Publ., 1996, 145 p.

2. Tykhonov V. I. & Khymenko V. I. Vybrosy trayek-toriy sluchainykh protsessov [Path overshoot of stochastic processes]. Moscow, Nauka Publ., 1987, 304 p.

3. Boldyrev A. P. Nauchniye osnovy sovershenstvo-vaniyapogloshayushykh apparatov avtostsepky [Scientific foundations of center-coupler draft gear improvement]: diss... D. Sci. Eng.: 05.22.07. Bryansk, BSTU Publ., 2006, 360 p.

4. Zhyrov P. D. Otsenka vliyaniya ekspluatatsion-nykh faktorov na effektyvnost raboty pogloshyay-ushykh apparatov avtostsepkky [Impact assessment of operational factors on operational efficiency of center coupler draft gears]: diss. Cand. Sci. Eng.: 05.22.07. Bryansk, BSTU Publ., 2012, 131 p.

5. Keglyn B. G., Boldyrev A. P., Ivanov A. V. & Stupyn D. A. Povysheniye effektyvnosty kombynyro-vannykh fryktsionnykh pogloshyayushykh apparatov na baze PMK-110A [Efficiency improvement of combined friction draft gears on the basis of PMK-110A]. Problemy mekhanyky zheleznodorozhnogo transporta: dynamyka, prochnost i bezopasnost dvyzheniya pod-vyzhnogo sostava [The issues of railroad transport mechanics: dynamics, resistance and safety of rolling stock operation]. Tezysy dokladov XI Mezhdunarod-noy konferentsii [The 11th International conference abstracts]. Dnepropetrovsk, Dnepropetrovsk National University of Railway Transport Publ., 2004, pp. 120— 126.

6. Keglyn B. G., Boldyrev A. P., Kharytonov A. T., Stupyn D. A., Ivanov A. V., Ulyanov O. A., Pryle-po T. N., Sukhov A. M. & Synelnykov Y. M. Patent 2128301 RF MPK 6 F16 F 7/08, В 61 G 9/02. Frykt-sionnyi amortyzator [License 2128301 RF International Patent Classification 6 F 16 F 7/08, В 61 G 9/02. Friction shock absorber]. Bull. no. 9, 1999, March 27th.

7. Boldyrev A. P. & Keglyn B. G. Raschet i proyek-tyrovaniye amortyzatorov udara podvyzhnogo sostava [Calculation and design of shock dampers of a rolling stock]. Moscow, Mashynostroyeniye [Mechanical engineering-1] Publ., 2004, 199 p.

8. Boldyrev A. P. & Belousov A. G. Raschetno-eksperimentalnaya otsenka ratsionalnykh parametrov konstruktsii pogloshayushego apparata PMKP-110 s polymernym podpornym bokom [Computational and

experimental evaluation of rational design parameters of PMKP-110 draft gear with polymer supporting block. Dynamyka, prochnost i nadezhnost transport-nykh mashyn [Dynamics, resistance and reliability of transport vehicles]. Sbornyk nauchykh trudov [Proceedings]. Bryansk, BSTU Publ., 2003, pp. 15-27.

9. Zhyrov P. D. & Boldyrev A. P. Razrabotka ma-tematycheskoy modely i raschet kharakteristik po-gloshayushego apparata avtostepky s polymernymy elementamy pry razlychnykh temperaturakh okruzh-ayushey sredy [Mathematical model development and performance calculation of a center-coupler draft gear with polymer elements under different environment temperature]. VestnykBryanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo univesyteta [Bulletin of Bryansk State Technical University], 2010, no. 4, pp. 55-58.

10. Boldyrev A. P., Gurov A. M. & Fatkov E.A. Os-novniye tendentsii gruzoperevozok zheleznodorozh-nym transportom Rossii [Principal trends of Russian railroad freight activity]. Vestnyk Bryanskogo gosu-darstvennogo tekhnicheskogo univesyteta [Bulletin of Bryansk State Technical University], 2007, no. 4

11. Gorelenkov A. I. Statystycheskiye raspredele-niya prodolnykh nagruzok, deystvuyushykh na gruzo-voy vagon pry perekhodnykh rezhymakh dvyzheniya poyezda [Statistical distribution of axial load affecting a freight car in the process of transient motion of a train]. Dynamyka, prochnost i nadezhnost transport-nykh mashyn [Dynamics, resistance and reliability of transport vehicles]. Ed. by A. P. Shlushenkova. Bryansk, Bryansk State Technical University Publ., 1997, pp. 11-19.

12. Fatkov E.A. Matematycheskoye modelyrovaniye raboty sovremennykh pogloshayushykh apparatov av-tostepky i razrabotka programmnogo kopmpleksa dlya rascheta ikh kharakteristik [Mathematical modeling of modern center-coupling draft gears operation and the development of bundled software for performance calculation]: diss. Cand. Sci. Eng.: 05.13.18. Bryansk, BSTU Publ., 2009, 141 p.

13. Boldyrev A. P. & Fatkov E.A. Programmniy kompleks dlya modelyrovaniya rascheta dynamy-cheskykh kharakteristik transportnykh ekypazhey. Sostoyaniye, problem i perspektyvy avtomatyzatsii tekhnicheskoy podgotovky proizvodstva na promy-shlennykh predpriyatiyakh [Bundled software for cal-

culation modeling of dynamic characteristics of transport vehicles. Current state, problems and trends of fitting-out automation at industrial enterprises]. Materialy Mezhdunarodnoy nauchno-praktycheskoy konferentsii

14. Levyn B. R. Spravochnykpo nadezhnosty v 3 tomakh [Reliability guide in 3 volumes]. Ed. by Levyn B. R. Moscow, Mir Publ., 1969, vol. 1, 339 p.

15. Stepnov M. N. Statystycheskiye metody obrabot-ky rezultatov mekhanicheskykh ispytaniy [Statistical methods of mechanical testing elaboration]. Moscow, Mashynostroyeniye [Mechanical engineering] Publ., 1985, 232 p.

*БОЛДЫРЕВ Алексей Петрович - доктор техн. наук, доцент, apb.tubryansk@gmail.com; *ЖИРОВ Павел Дмитриевич - канд. техн. наук, заведующий кафедрой, pashadsm@ya.ru (Брянский государственный технический университет); ИОНОВ Владимир Валерьевич - канд. техн. наук, генеральный директор, vvionov@mail.ru (ООО «Дипром»).