Анализ надёжности подвижного состава по результатам неразрушающего контроля

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК

А.А. Воробьёв, В.А. Карпов

АНАЛИЗ НАДЁЖНОСТИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Изложена методика расчёта показателей безотказности и долговечности деталей подвижного состава по результатам неразрушающего контроля. Апробация осуществлена на примере результатов неразрушающего контроля осей колёсных пар электровозов ВЛ80. Приведены результаты расчетов показателей безотказности осей колесных пар электровозов ВЛ80 по описанной методике. Для расчетов использовались данные, полученные при проведении технического обслуживания электровозов в локомотивных депо Приволжской железной дороги, в том числе с применением неразрушающего контроля, в течение 2012-2013 гг.

Надежность, тяговый подвижной состав, неразрушающий контроль, технология неразрушающего контроля, ультразвуковой метод неразрушающего контроля, магнитопорошковый метод неразрушающего контроля, колесные пары, ВЛ80

RELIABILITY OF THE ROLLING-STOCK WITH ACCOUNT FOR NONDESTRUCTIVE TESTING

A.A. Vorobyov, V.A. Karpov

The paper presents a methodology for calculation of reliability indicators and durability ofparts in the rolling stock according to results of non-destructive testing. The testing is based on the results of nondestructive testing for the wheel set axles of the electric locomotives VL80. The reliability estimation of the wheel set axles of the electric locomotives VL80 is conducted using the method described above. The calculations are based on the data obtained during the maintenance of the locomotives performed in the locomotive depot in the Privolzhsky railway company, including the data of nondestructive testing of 2012-2013, The calculation results show that the wear strength of axles of the wheel pairs adhere to exponential distribution, and failures foolow the constant rate, which suggests that deterioration of their technical condition at increasing operating time of up to 4.5 million km, and failures are random (or sudden) in nature.

Reliability, reliability, traction rolling stock non-destructive testing technology non-destructive testing, ultrasonic method of nondestructive testing, magnetic particle method of nondestructive testing, wheelset, VL80

На современном этапе развития железнодорожного транспорта с увеличением скоростей движения, ростом интенсивности перевозок и веса поездов выполнение важнейшей задачи обеспечения безопасности движения происходит с помощью введения в эксплуатацию нового типа тягового подвижного состава (ТПС). Увеличение эксплуатационной надежности, которая достигается за счет необходимого запаса прочности, закладывается при проектировании, а также обеспечивается действующей в ОАО РЖД планово-предупредительной системой технического обслуживания и ремонта, предусматривающей применение в технологических процессах методов и средств неразрушающего контроля (НК) ответственных узлов и деталей. Процессы образования и роста дефектов в период эксплуатации ставят под угрозу безаварийную эксплуатацию подвижного состава. Обеспечение безопасно-

65

сти движения за счет своевременного обнаружения заводских и усталостных эксплуатационных дефектов в ответственных элементах подвижного состава приносит огромный экономический эффект. Решение этой проблемы достигается современными физическими методами НК.

Одним из наиболее распространенных методов НК при производстве ремонта тягового подвижного состава является ультразвуковой метод. Данный метод основан на излучении и последующем анализе параметров высокочастотных упругих механических колебаний (ультразвуковых волн), прошедших через контролируемое изделие. Ультразвуковой метод применяют для контроля элементов колесной пары: оси, ступицы, бандажа, большого зубчатого колеса. В процессе изготовления, эксплуатации, технического обслуживания и ремонта подвижного состава железных дорог технологическим процессом предусмотрен большой объем работ по НК деталей и узлов, направленных на обеспечение их работоспособности в эксплуатации. Анализ выполняемого в настоящее время НК показывает, что его результаты ограничиваются оценкой процента брака (вероятности отказа) конкретной детали, обусловленного той или иной причиной его возникновения.

Партия проконтролированных деталей (выборка) перед или в процессе восстановления подвижного состава, как правило, имеет разную наработку от момента изготовления. Поэтому по информации о результатах НК детали невозможно определить зависимость вероятности отказа от ее наработки. В этом случае значение процента брака (вероятности отказа) является усредненной точечной оценкой, не позволяющей прогнозировать техническое состояние детали конкретного наименования. Если же известна наработка каждой проконтролированной детали из выборки N от момента её изготовления, то информацию о наработках всех N деталей в процессе контроля во времени можно графически представить следующим образом (рис. 1).

N N-1

Рис. 1. Представление информации о наработках выборки N деталей в процессе их неразрушающего контроля. • - деталь работоспособна; * - неработоспособна

Если наработки на момент контроля N деталей выстроить в вариационный ряд (рис. 2), то полученная информация позволит оценивать точечную оценку вероятности отказа Q [1] для конкретного значения наработки.

1

1 к

1. . . .и

11,

Ш I

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 т

_________________:_____ ' __- -

--------- - - - —1—1-

'Ч ¡1% -

Рис. 2. Вариационный ряд наработок выборки N деталей, подвергнутых неразрушающему контролю, и эмпирическая функция вероятности отказа

Вероятность отказа Q*(l) при наработке lii проконтролированных деталей, к из которых оказались дефектными, будет

=

где i - номер (в вариационном ряду) отказавшей детали; li - наработка до отказа i-й детали; N(l) -количество деталей, находящихся под наблюдением при наработке li, с учётом отказавших до наработки li; к - количество деталей, отказавших до наработки li.

Совокупность точечных оценок вероятности отказа детали, полученных при разных наработках, позволяет построить эмпирическую зависимость её от наработки (эмпирическую функцию распределения наработки до отказа F(l)). При объединении информации n выборок, каждая из которых представляет N одноимённых деталей, подвергнутых неразрушающему контролю, получим выборку n*N достаточно большого объема, что позволит существенно повысить достоверность оценки эмпирической функции распределения наработки до отказа.

По полученной в процессе контроля усеченной справа представительной выборке наработок до отказа рассматриваемой детали необходимо определить вид и параметры закона распределения наработки до отказа [1], то есть построить теоретическую функцию её распределения F(l).

Усечение выборки обусловливается тем, что вероятность того, что из выборки проконтролированных деталей все окажутся бракованными, практически равна нулю.

По теоретической функции распределения наработки до отказа становится возможным определение показателей безотказности и долговечности рассматриваемой детали [2]. Апробация предложенной методики осуществлена по информации о результатах НК осей колёсных пар электровозов. Из 734 проконтролированных деталей, имеющих различную наработку (от 5 до 4,5 млн. км) обнаружены 37 дефектных. Производство НК на предприятиях проводилось в соответствии с нормативной документацией, технологической картой, которая создана на основе стандартов ОАО РЖД и типовых инструкций по НК. При современной разработке и изготовлении ультразвуковых дефектоскопов, в частности УД2-102, можно достоверно определить координаты залегания и условные размеры дефекта. Технология контроля заключается в подготовке дефектоскопа, настройке на определенную зону контроля оси, установке преобразователя на поверхность контролируемого участка и его перемещении по заданной траектории (рис. 3).

Рис. 3. Акустическая схема контроля дальней подступичной части оси колесной пары электровоза ВЛ80 и оценка оси на прозвучиваемость: 1 - прямой преобразователь; 2 - ось ультразвукового луча; 3 - боковые лучи

При наличии дефекта на пути распространения ультразвуковой волны часть её отражается от дефекта и попадает на преобразователь, вследствие чего на экране дефектоскопа отображается сигнал в виде амплитуды (рис. 4).

7

Рис. 4. Сигналы на экране ультразвукового дефектоскопа УД2-102 1 - передний фронт зондирующего импульса; 2 - сигналы от кромок колец подшипников на шейке оси; 3 - помехи от кромок колесного центра и внутренней галтели подступичной части оси (с учетом трансформации луча продольной волны в поперечную); 4 - сигнал от трещины в зоне под внутренней кромкой ступицы дальнего колеса; 5 - сигнал от галтели шейки оси; 6 - донный сигнал; 7 - зона контроля

На основании выборки наработок осей колёсных пар электровозов ВЛ80 от начала их эксплуатации до момента проведения НК рассчитана усечённая эмпирическая функция распределения (таблица, рис. 5).

Расчётные значения показателей безотказности осей колёсных пар электровозов ВЛ80

Приращение Расчётное

Наработка Кол-во осей Приращение Приращение эмпирической значение

до отказа колёсных наработки эмпирической функции функции плотности интенсивности

1, тыс. км парN(l) й1, тыс. км. распределениям (1) наработки до отказа отказов

А(), 1/тыс. км Х(1), 1/тыс. км

1 2 3 4 5 6

4,849 734 4,849 0,001362398 0,00028096 0,00028135

213,57 701 208,721 0,001426534 0,00000683 0,00000685

283 679 69,43 0,001472754 0,00002121 0,00002130

332,291 663 49,291 0,001508296 0,00003060 0,00003078

372 635 39,709 0,001574803 0,00003966 0,00003995

390,117 629 18,117 0,001589825 0,00008775 0,00008854

398,5 625 8,383 0,0016 0,00019086 0,00019289

414,9 619 16,4 0,001615509 0,00009851 0,00009972

558,114 581 143,214 0,00172117 0,00001202 0,00001219

601,45 568 43,336 0,001760563 0,00004063 0,00004127

670,432 543 68,982 0,001841621 0,00002670 0,00002717

702,517 532 32,085 0,001879699 0,00005858 0,00005974

732,9 522 30,383 0,001915709 0,00006305 0,00006442

873,329 484 140,429 0,002066116 0,00001471 0,00001506

882,6 480 9,271 0,002083333 0,00022472 0,00023058

914,798 470 32,198 0,00212766 0,00006608 0,00006795

920,366 468 5,568 0,002136752 0,00038376 0,00039550

969,95 458 49,584 0,002183406 0,00004403 0,00004548

1097,209 429 127,259 0,002331002 0,00001832 0,00001897

1107,16 428 9,951 0,002336449 0,00023480 0,00024370

1129,356 422 22,196 0,002369668 0,00010676 0,00011108

1163,952 414 34,596 0,002415459 0,00006982 0,00007283

1388,631 376 224,679 0,002659574 0,00001184 0,00001238

1467,024 354 78,393 0,002824859 0,00003603 0,00003780

1486,241 352 19,217 0,002840909 0,00014783 0,00015556

1652,679 316 166,438 0,003164557 0,00001901 0,00002007

1675,37 315 22,691 0,003174603 0,00013991 0,00014820

1884,324 281 208,954 0,003558719 0,00001703 0,00001811

2039,842 256 155,518 0,00390625 0,00002512 0,00002682

2672,298 178 632,456 0,005617978 0,00000888 0,00000954

2754,921 174 82,623 0,005747126 0,00006956 0,00007518

2857,441 163 102,52 0,006134969 0,00005984 0,00006511

3194,424 130 336,983 0,007692308 0,00002283 0,00002505

3640,6 101 446,176 0,00990099 0,00002219 0,00002462

3957,154 86 316,554 0,011627907 0,00003673 0,00004128

4414,488 72 457,334 0,013888889 0,00003037 0,00003467

4494,158 72 79,67 0,013888889 0,00017433 0,00020223

По эмпирической функции (рис. 5) методом наименьших квадратов определены вид и параметры закона распределения F(l), наилучшим образом описывающего экспериментальные данные наработок до отказа [1] по результатам неразрушающего контроля осей колёсных пар электровозов.

Рис. 5. Эмпирическая и теоретическая экспоненциальная функция распределения наработки до отказа оси колёсной пары

Установлено, что полученная выборка наработок до отказа колёсных пар на интервале их контроля от 0 до 4,5 млн. км подчиняется экспоненциальному закону распределения с постоянной интенсивностью отказа Л=0,00003 1/тыс. км (рис. 6).

Х(1), 1/тыс км

1

1 \

-IV- V \ /.(I) МП

-\г ^-Лт1 1, тыс. км

0,00030

Рис. 6. Зависимости от наработки интенсивности отказов осей колёсных пар

При достижении наработки осей колёсных пар 4,5 млн. км примерно 14 % из них отказывают. Так как скорость отказов на рассматриваемом интервале наработки остаётся постоянной, следует сделать вывод, что срок службы рассматриваемых осей колёсных пар не исчерпан, т. е. при рассматриваемой наработке они не достигают предельного состояния.

ЛИТЕРАТУРА

1. Горский А.В., Воробьёв А.А. Оптимизация системы ремонта локомотивов. М.: Транспорт, 1994. 208 с.

2. Горский А.В., Воробьёв А.А. Надёжность электроподвижного состава. М.: Маршрут, 2005.

302 с.

3. Скрипник В.М., Назин А.Е. Оценка надёжности технических систем по цезурированным выборкам. Минск: Наука и техника, 1981. 143 с.

4. Смит Д.Дж. Безотказность, ремонтопригодность и риск. М.: ООО Группа ИДТ, 2007. 432 с.

69

5. Хастингс Н., Пикок Дж. Справочник по статистическим распределениям. М.: Статистика, 1980. 95 с.

Воробьёв Александр Алексеевич -

доктор технических наук, профессор кафедры «Электропоезда и локомотивы» Московского государственного университета путей сообщения

Aleksandr A. Vorobyov -

Dr. Sci., Professor

Department of Trains and Locomotives Moscow State University of Railway Engineering

Карпов Валерий Александрович - Valeri A. Karpov -

главный инженер Приволжского центра Chief Engineer

метрологии, г. Саратов Volga Center for Metrology, Saratov

Статья поступила в редакцию 10.08.15, принята к опубликованию 15.09.15