ОПТИМИЗАЦИЯ НОРМ МЕЖРЕМОНТНЫХ ПРОБЕГОВ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗОВ НА ПОЛИГОНЕ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

УДК 629.423.31.083

Оптимизация норм межремонтных пробегов тяговых электродвигателей локомотивов на основе результатов исследования распределения отказов на полигоне Дальневосточной железной дороги

Д. Ю. Дроголов, П. В. Соколов, А. С. Кушнирук

Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Российская Федерация, 680021, Хабаровск, ул. Серышева, 47

Для цитирования: Дроголов Д. Ю., Соколов П. В., Кушнирук А. С. Оптимизация норм межремонтных пробегов тяговых электродвигателей локомотивов на основе результатов исследования распределения отказов на полигоне Дальневосточной железной дороги // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2021. - Т. 18. - Вып. 3. - С. 393-401. 001: 10.20295/1815-588Х-2021-3-393-401

Аннотация

Цель: Оптимизация норм межремонтных пробегов на основании результатов исследования распределения отказов тяговых электродвигателей, вызванных критическим снижением сопротивления изоляции обмоток, для сокращения затрат на устранение последствий неплановых ремонтов локомотивов. Методы: Применяются методы математической статистики, теории вероятностей, теории надежности технических систем. Результаты: Проведен причинно-следственный анализ случаев постановки локомотивов на неплановый ремонт за 2019-2020 гг. Определен элемент, лимитирующий нормы межремонтных пробегов тяговых электродвигателей локомотивов. Получено теоретическое распределение отказов тяговых электродвигателей вследствие критического снижения сопротивления изоляции его обмоток. Осуществлена оптимизация норм межремонтных пробегов локомотивов по условиям проведения текущего ремонта в объеме ТР-2 относительно тяговых электродвигателей. Выявлено, что в основном отказы связаны с первым периодом эксплуатации тяговых электродвигателей. В результате анализа причин отказов тяговых электродвигателей установлено, что большинство случаев постановки на неплановый ремонт приходится на первый интервал пробега локомотивов из-за низкого качества ремонта. При этом первый нормальный пик отказов приходится на пробег в модальном интервале от 156 до 234 тыс. км, когда межремонтный пробег по ТР-2 составляет 250 тыс. км, что обусловливает необходимость его оптимизации в пределах предшествующего модальному интервала. Практическая значимость: Представленный вариант оптимизации межремонтных пробегов возможно использовать при определении рациональности установления норм периодов проведения обслуживающих и ремонтных операций по узлам локомотивов в условиях планово-предупредительной системы управления их техническим состоянием.

Ключевые слова: Межремонтные пробеги, распределение отказов, тяговые электродвигатели, локомотив, сопротивление изоляции, неплановый ремонт.

Введение

Своевременное выполнение ремонта и обслуживания узлов локомотивов является осно-

вой безопасного и эффективного перевозочного процесса на железнодорожном транспорте.

В настоящее время на отечественном подвижном составе используется планово-предупреди-

тельная система ремонта и обслуживания локомотивов, которая характеризуется дискретным выполнением ремонтных работ в зависимости от пробега в определенном объеме по отдельным узлам [1].

При высоких значениях межремонтных пробегов возрастает вероятность отказов узлов локомотивов, что отрицательно сказывается на динамике отказов и количестве сверхцикловых видов ремонта; при низких - становятся больше затраты на ремонт, обслуживание и простои локомотивов.

С учетом перехода отечественного железнодорожного транспорта на реализацию перевозочного процесса в условиях рыночной экономики (конец XX в.) одной из ведущих тенденций стало увеличение экономического эффекта за счет снижения затрат на обслуживание и ремонт инфраструктуры, в том числе путем повышения норм межремонтных пробегов для узлов локомотивов. Данная тенденция привела к трансформации экономических затрат на обслуживание и ремонт, проявляющихся в:

- потерях от устранения последствий отказов узлов локомотивов в пути следования;

- затратах от производства сверхцикловых видов ремонта;

- неучтенных убытках от выплат грузополучателям за задержку груза.

Эти аспекты обусловливают важную и актуальную задачу, связанную с необходимостью оптимизации норм межремонтных пробегов узлов локомотивов для снижения их отказов.

Метод оптимизации межремонтных пробегов узлов локомотивов

В качестве метода оптимизации норм межремонтных пробегов применяется теория математической статистики - раздел исследований гипотез о законах распределения [2, 3]. Его суть заключается в установлении или опровержении соответствия теоретического распределения практическим частотам отказов, согласно кри-

терию Пирсона [4, 5]. Процесс исследования гипотезы о распределении отказов состоит из следующих этапов:

- определение параметров распределения;

- расчет теоретического распределения отказов;

- построение гистограммы практического и теоретического распределения;

- расчет коэффициента критерия Пирсона;

- расчет критического коэффициента Пирсона в зависимости от количества интервалов пробега и параметров закона распределения;

- вывод о соответствии практического распределения отказов теоретическому распределению;

- анализ практического распределения и возможности адаптации практических частот;

- оптимизация норм межремонтных пробегов или заключение о ее невозможности.

Рассмотрим процесс оптимизации межремонтных пробегов на примере одного из лимитирующих узлов локомотивов - тягового электродвигателя (ТЭД) по отношению к одной из известных и проблемной причине отказа - критическому уменьшению сопротивления изоляции обмоток якоря и возбуждения [6, 7].

Исследование гипотезы о нормальном распределении отказов ТЭД вследствие критического уменьшения сопротивления изоляции обмоток

Эксплуатация ТЭД локомотивов обусловлена знакопеременными температурными воздействиями, влажностью и запыленностью. Представленные факторы оказывают повсеместное воздействие как в летний, так и в зимний периоды эксплуатации. При эксплуатации ТЭД в летний период значительное влияние оказывает температурный фактор, что зачастую приводит к недопустимым цикличным перегревам изоляции и ее разрушению. В зимний период на состоянии изоляции ТЭД отрицательно сказываются знакопеременные температурные воздействия, свя-

занные с их нагревом в тяговом режиме работы и последующим обледенением в простое. Данные факторы отрицательно влияют на состояние изоляции обмоток ТЭД, способствуя снижению их сопротивления изоляции и возникновению короткого замыкания, что в конечном счете приводит к выходу ТЭД из строя [8, 9].

Рассмотрим распределение отказов ТЭД по выбранной причине на полигоне эксплуатации Дальневосточной железной дороги. Распределение отказов ТЭД в соответствии с законом Стёрд-жеса [10] представлено в табл. 1, где / - порядковый номер интервала пробега локомотивов, А/. - интервал пробега локомотивов, Дг. - количество отказов ТЭД на интервале А/..

Проведем исследование данного распределения и проверку его на гипотезу о нормальном законе. Для этого необходимо определить математическое ожидание отказов в зависимости от пробега следующим образом:

/ =1 -¿(А/,- -Ar),

r i=1

Результаты расчетов выборочных средних представлены в табл. 2.

На основании этих результатов по уравнению (1) вычислим значение математического ожидания / отказов:

г = 1

527

-116 231 = 220,55 тыс. км.

где г - суммарное количество отказов, г=527 ед.; Д/ - выборочные средние интервалов пробегов, которые находятся по формуле

Помимо математического ожидания, для исследования гипотезы о нормальном распределении необходимо вычислить среднеквадрати-ческое отклонение 5* по формуле о нахождении дисперсии 52:

S2 =

^-•¿((/ -А/,)2 'Ar-),

r -1 i=1

5 = 159,07.

В соответствии с полученными величинами параметров нормального распределения рассчитаем значения частот отказов теоретического распределения Дг.:

Ar, =

r -AI

9(b)i.

A/T =A/i -A/i-1

Здесь ф(Ь). - плотность вероятности нормального распределения

2

ТАБЛИЦА 1. Распределение отказов ТЭД

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Д/., тыс. км 78 156 234 312 390 469 547 625 703 781 784

Дг,, ед. 131 80 87 71 84 46 16 3 7 1 1

ТАБЛИЦА 2. Результаты расчета по выборочным средним

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

A/,, тыс. км 39 117 195 273 351 430 508 586 664 742 783

Ar,, ед. 131 80 87 71 84 46 16 3 7 1 1

A/ -Ar, 5124 9376 16 990 19 409 29522 19759 8122 1757 4647 742 783

¿(A4-Ar,) i = 1 116231

ф(Ь). =

где Ь - нормированная переменная

Ь =

А1_т± S

На основании полученных данных определим коэффициент Пирсона %2 на каждом /-м интервале:

Xi =

Ar. - Ar,.

Результаты расчетов приведены в табл. 3.

На основании расчетных данных коэффициент Пирсона х2 = 123,45, что опровергает нормальный закон распределения отказов, так как данное значение превышает критический коэффициент Пирсона для нормального закона распределения х2 крит = 15,51 [9]. Распределение отказов ТЭД иллюстрирует рис. 1.

Если провести анализ распределения отказов, то большинство из них приходится на первый период эксплуатации. На основании изучения причин отказов, приходящихся на рассматри-

ваемый период, установлено, что значительное количество случаев неплановых ремонтов связано с низким качеством реализации ремонтных и диагностических операций по данному узлу. Первый нормированный максимум отказов приходится на третий интервал с пробегом 156-234 тыс. км, что совпадает с межремонтными пробегами отдельных серий локомотивов по объему ТР-2, где реализуются работы по восстановлению сопротивления изоляции ТЭД. Второй максимум приходится на пятый интервал с пробегом 312-390 тыс. км, что приблизительно совпадает с проведением работ в объеме ТР-3. Затем число отказов снижается, что в основном вызвано небольшим количеством локомотивов эксплуатирующихся с перепробегом по ТР-3.

Для оценки возможности оптимизации норм межремонтных пробегов представленное распределение отказов необходимо разделить на три вещественные части:

- пик отказов в начальный период эксплуатации Ы (0-78 тыс. км);

- первый нормированный максимум отказов относительно ТР-2 Д/3 (156-234 тыс. км);

- второй нормированный максимум отказов относительно ТР-3 Д/5 (312-390 тыс. км).

2

Ь

ТАБЛИЦА 3. Распределение теоретических частот отказов ТЭД согласно нормальному закону распределения

Al, тыс. км г Ь. г Ф (Ь\ Ar. t. Ar. г Xi2

78 -0,895 0,267 69,268 131 55,01

156 -0,404 0,368 95,287 80 2,45

234 0,087 0,397 103,013 87 2,48

312 0,577 0,338 87,519 71 3,11

390 1,068 0,225 58,435 84 11,18

469 1,559 0,118 30,662 46 7,67

547 2,050 0,049 12,644 16 0,89

625 2,541 0,016 4,097 3 0,29

703 3,032 0,004 1,044 7 33,99

781 3,523 0,001 0,209 1 2,99

784,19 3,543 0,001 0,194 1 3,34

ï X2 = 123,45 i=1

Рис. 1. Распределение отказов ТЭД по критическому снижению сопротивления изоляции обмоток: гистограмма - практическое распределение, график - теоретическое

распределение

Рис. 2. Распределение отказов ТЭД по критическому снижению сопротивления изоляции обмоток: гистограмма - оптимизированное практическое распределение, график - теоретическое распределение

При этом исследование возможности оптимизации норм межремонтных пробегов следует проводить отдельно по каждой вещественной части.

Оптимизация межремонтных пробегов объема ТР-2 на основании анализа результатов исследования гипотезы о нормальном распределении отказов

Первая вещественная часть оптимизации связана с влиянием человеческого фактора и не входит в спектр задач оптимизации норм межремонтных пробегов. Целевыми вещественными частями являются вторая и третья. Оценим возможность оптимизации таких норм в объеме ТР-2 путем приравнивания несвязанных распределений к частотам установленного теоретического закона (рис. 1, график).

Так, при рассмотрении оптимизации межремонтных пробегов по ТР-2 адаптации подвергнутся практические частоты отказов 1, 5-11 интервалов. Тогда теоретическое распределение примет вид, представленный на рис. 2.

Коэффициент Пирсона при этом равен 8,05, что доказывает нормальное распределение отказов на данных интервалах с уровнем доверия в 0,95, а также обеспечивает возможность оптимизации норм межремонтных пробегов локомотивов в объеме ТР-2 относительно лимитирующего элемента ТЭД - изоляции электрических цепей в пределах рассматриваемых интервалов наработки I = 2-4. На основании факта о нормальном распределении отказов на этих интервалах можно сделать вывод о необходимости оптимизации норм межремонтных пробегов в объеме ТР-2 локомотивов применительно к ТЭД в пределах предшествующего модальному интервала пробега Д/3.

Заключение

Результаты проведенного исследования свидетельствуют о нерациональном увеличении

норм межремонтных пробегов локомотивов в объеме ТР-2, согласно [1]. Это подтверждается предшествующим распоряжением о системе технического обслуживания и ремонта локомотивов [11], где нормы межремонтных пробегов для большинства эксплуатирующихся серий локомотивов на Дальневосточной железной дороге составляют 150-200 тыс. км, что приходится на рассчитанный модальный интервал пробега Д/3 = 156-234 тыс. км (рис. 2). В связи с этим обоснованным решением будет оптимизация норм межремонтных пробегов в объеме ТР-2 до 150-200 тыс. км пробега.

В дальнейшем планируется провести подробный анализ интервалов Д/2, Д/3 и Д/4 с более низким периодом дискретизации по пробегу с целью уточнения параметров нормального закона распределения отказов ТЭД для Дальневосточной железной дороги.

Библиографический список

1. Открытое акционерное общество «Российские железные дороги». Распоряжения. О системе технического обслуживания и ремонта локомотивов : Распоряжение № 2796р. - Принято ОАО «РЖД» 21 сентября 2018 г. - М. : ОАО «РЖД», 2018. - 23 с.

2. Агишева Д. К. Математическая статистика : учеб. пособие / Д. К. Агишева, С. А. Зотова, Т. А. Матвеева, В. Б. Светличная. - Волгоград : ВПИ (филиал) ВолгГТУ, 2010. - 160 с.

3. Савастенко Н. А. Математическая статистика : учеб.-метод. пособие / Н. А. Савастенко. - Минск : МГЭУ им. А. Д. Сахарова, 2015. - 72 с.

4. Крохалев В. Я. Статистика : учеб. пособие / В. Я. Крохалев, С. А. Скопинов, В. А. Телешев. -Екатеринбург : УГМУ, 2018. - 114 с.

5. Ивин Е. А. Учебно-методическое пособие по математической статистике: для социально-экономических специальностей / Е. А. Ивин, А. Н. Кур-бацкий, Д. В. Артамонов. - Вологда : ИСЭРТ РАН, 2017. - 141 с.

6. Дульский Е. Ю. Система мониторинга состояния изоляции / Е. Ю. Дульский, П. Ю. Иванов, А. А. Хам-

наева, М. А. Дивинец, А. А. Корсун // Железнодорожный транспорт. - М. : Центр науч.-технич. информации и библиотек ОАО «РЖД», 2021. - № 3. - С. 50-52.

7. Дульский Е. Ю. Анализ отказов тяговых двигателей электровозов серии «Ермак» / Е. Ю. Дуль-ский // Региональный центр инновационных технологий. - URL : http://www.rcit.su/article074.html (дата обращения : 04.05.2021).

8. Четвергов В. А. Анализ факторов, определяющих надежность тепловозов на различных стадиях жизненного цикла / В. А. Четвергов, Д. В. Балагин, О. В. Балагин // Изв. Транссиба. - Омск : ОмГУПС, 2014. - № 4 (20). - С. 72-78.

9. Головаш А. Н. Совершенствование системы технического обслуживания и ремонта локомотивов / А. Н. Головаш, Н. Б. Куршакова // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов : Материалы третьей Всерос. науч.-технич. конференции с меж-

дународным участием. - Омск : ОмГУПС, 2016. -С. 52-58.

10. Sturges H. The choice of a class-interval / H. Stur-ges // Journal of American Statistical Association. -Boston, USA. - 1926. - N 21. - P. 65-66.

11. Открытое акционерное общество «Российские железные дороги». Распоряжения. О системе технического обслуживания и ремонта локомотивов ОАО «РЖД» : Распоряжение № 3р. - Принято ОАО «РЖД» 17 января 2005 г. - М. : ОАО «РЖД», 2005. - 12 с.

Дата поступления: 17.05.2021 Решение о публикации: 13.06.2021

Контактная информация:

ДРОГОЛОВ Денис Юрьевич - преподаватель; chesser@ya.ru

СОКОЛОВ Павел Валерьевич - канд. техн. наук, доц.; 617032@gmail.com КУШНИРУК Алексей Сергеевич - ст. преподаватель; alexey.kushniruk@mail.ru

Optimization of the norms of overhaul runs for traction electric motors of locomotives based on the results of the distribution of failures at the range of the Far Eastern Railway

D. Yu. Drogolov, P. V. Sokolov, A. S. Kushniruk

Far Eastern State Transport University, 47, Serysheva, Khabarovsk, 680021, Russian Federation

For citation: Drogolov D. Yu., Sokolov P. V., Kushniruk A. S. Optimization of the norms of overhaul runs for traction electric motors of locomotives based on the results of the distribution of failures at the range of the Far Eastern Railway. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2021, vol. 18, iss. 3, pp. 399-401. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2021-3-393-401

Summary

Objective: Optimization of the rates of overhaul runs on the basis of the results of the study of the distribution of failures of traction motors caused by a critical decrease in the insulation resistance of the windings to reduce the cost of eliminating the consequences of unscheduled repairs of locomotives. Methods: Mathematical statistics, probability theory, theory of reliability of technical systems are applied. Results: A cause-and-effect analysis was carried out of cases when locomotives were placed for unscheduled repairs in 2019-2020. An element has been determined that limits the rates of overhaul mileage of traction electric motors of locomotives. The theoretical distribution of failures of traction electric motors due to a critical decrease in the insulation resistance of its windings is obtained. The optimization of the norms of overhaul runs of locomotives was carried out according to the conditions of current repairs in the amount of TR-2 relative to traction electric motors. It was revealed that the failures are mainly associated with the first period of operation of traction motors. As a result of the analysis of the

reasons for the failure of traction electric motors, it was found that most cases of unscheduled repairs fall on the first interval of locomotive runs due to the poor quality of repairs. In this case, the first normal peak of failures falls on the mileage in the modal interval from 156 to 234 thousand kilometers, when the overhaul mileage on TP-2 is 250 thousand kilometers, which necessitates its optimization within the preceding modal interval. Practical importance: The presented version of optimization of overhaul runs can be used to determine the rationality of establishing the norms for the periods of maintenance and repair operations on locomotive units under the conditions of a planned preventive control system for their technical condition.

Keywords: Overhauls runs, failure distribution, traction motors, locomotive, insulation resistance, unscheduled repairs.

References

1. Otkrytoye aktsionernoye obshchestvo "Rossiys-kiye zheleznyye dorogi". Rasporyazheniya. O sisteme tekhnicheskogo obsluzhivaniya i remonta lokomotivov: Rasporyazheniye no. 2796r. Prinyato OAO "RZHD" 21 sentyabrya 2018 g. [Open Joint Stock Company Russian Railways. Orders. On the system of maintenance and repair of locomotives: Order N 2796r. Accepted by Russian Railways on September 21, 2018]. Moscow, JSC "Russian Railways" Publ., 2018, 23 p.

2. Agisheva D. K., Zotova S.A., Matveyeva T. A. & SvetlichnayaV.B. Matematicheskayastatistika. Ucheb-noye posobiye [Mathematical statistics. A tutorial]. Volgograd, VPI

3. Savastenko N.A. Matematicheskaya statistika. Uchebnoye posobiye [Mathematical statistics. A tutorial]. Minsk, A. D. Sakharov Moscow State University for the Humanities and Economics Publ., 2015, 72 p.

4. Krokhalev V. Ya., Skopinov S.A. & Teleshev V. A. Statistika. Uchebnoye posobiye [Statistics. A tutorial]. Yekaterinburg, UGMU [Ural State Medical University] Publ., 2018, 114 p.

5. Ivin E.A., Kurbatskiy A. N. & Artamonov D. V. Uchebno-metodicheskoye posobiye po matemati-cheskoy statistike: dlya sotsial'no-ekonomicheskikh spetsial'nostey [Teaching aid on mathematical statistics: for socio-economic specialties]. Vologda, ISERT RAN [Institute of Socio-Economic Development of Territories of the Russian Academy of Sciences] Publ., 2017, 141 p.

6. Dulsky E. Yu., Ivanov P. Yu., Khamnaeva A. A., Divinets M. A. & Korsun A. A. Sistema monitoringa sostoyaniya izolyatsii [System for monitoring the state of insulation]. Zheleznodorozhnyy transport [Railway transport]. Moscow, Tsentr nauchno-tekhnicheskoy in-formatsii i bibliotek OAO "RZHD" [Center for Scientific and Technical Information and Libraries of JSC "Russian Railways"] Publ., 2021, no. 3, pp. 50-52.

7. Dulsky E. Yu. Analiz otkazov tyagovykh dvigate-ley elektrovozov serii "Yermak" [Analysis of failures of traction motors of electric locomotives of the "Ermak" series]. Regional'nyy tsentr innovatsionnykh tekhnologiy [Regional Center for Innovative Technologies]. Available at: http://www.rcit.su/article074.html

8. Chetvergov V. A., Balagin D. V. & Balagin O. V. Analiz faktorov, opredelyayushchikh nadezhnost' teplovo-zov na razlichnykh stadiyakh zhiznennogo tsikla [Analysis of factors that determine the reliability of diesel locomotives at different stages of the life cycle]. Izvestiya Trans-siba [Trans-Siberian railway bulletin]. Omsk, OmGUPS [Omsk State Transport University] Publ., 2014, no. 4

9. Golovash A. N. & Kurshakova N. B. Sovershen-stvovaniye sistemy tekhnicheskogo obsluzhivaniya i remonta lokomotivov [Improvement of the system of maintenance and repair of locomotives]. Ekspluatatsion-naya nadezhnost' lokomotivnogo parka i povysheniye ef-fektivnosti tyagi poyezdov. Materialy tret'yey Vserossi-yskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii s mezhduna-rodnym uchastiyem [Operational reliability of the locomotive fleet and increasing the efficiency of train traction. Materials of the third All-Russian scientific and technical conferences with international participation]. Omsk,

OmGUPS [Omsk State Transport University] Publ., 2016, pp. 52-58.

10. Sturges H. The choice of a class-interval. Journal of American Statistical Association. Boston, USA, 1926, no. 21, pp. 65-66.

11. Otkrytoye aktsionernoye obshchestvo "Rossiys-kiye zheleznyye dorogi". Rasporyazheniya. O sisteme tekhnicheskogo obsluzhivaniya i remonta lokomotivov OAO "RZHD". Rasporyazheniye no. 3r. Prinyato OAO "RZHD" 17 yanvarya 2005 g. [Open Joint Stock Company Russian Railways. Orders. On the system of maintenance and repair of locomotives of JSC Russian Railways. Order N 3r]. Accepted by JSC Russian Railways

on January 17, 2005. Moscow, JSC "Russian Railways" Publ., 2005, 12 p.

Received: May 17, 2021 Accepted: June 13, 2021

Authors' information:

Denis Yu. DROGOLOV - Lecturer; chesser@ya.ru

Pavel V. SOKOLOV - PhD in Engineering, Associate Professor; 617032@gmail.com Alexey S. KUSHNIRUK - Senior Lecturer; alexey.kushniruk@mail.ru