Оценка остаточного ресурса несущих конструкций локомотивов промышленного транспорта

УДК 629.4

А. В. Грищенко, В. В. Грачев, Ф. Ю. Базилевский, М. А. Шрайбер, Ю. М. Ганиева, В. В. Мельникова

ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЛОКОМОТИВОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ТРАНСПОРТА

Дата поступления: 14.01.2016 Решение о публикации: 18.01.2016

Цель: Разработать уточненную методику оценки остаточного ресурса несущих конструкций локомотивов промышленного транспорта. Методы: Использованы методы математического моделирования в среде конечно-элементного пакета SolidWorks и методы натурных испытаний элементов несущих конструкций тепловозов промышленного транспорта. Результаты: Показаны теоретические и практические возможности продления назначенного срока службы локомотивов промышленного транспорта с учетом фактической интенсивности их эксплуатации. В качестве основного показателя остаточного ресурса в результате прогноза определяется гамма-процентный ресурс, задаваемый двумя численными значениями: наработкой и выраженной в процентах вероятностью того, что в течение этой наработки предельное состояние не будет достигнуто. Для этого разработан комплекс организационных, вычислительных и технических средств, которые дают возможность оценивать фактическое техническое состояние несущих конструкций тепловозов. Практическая значимость: На основании данных расчетов можно увеличить достоверность оценки остаточного ресурса на 12-15 %.

Срок службы, локомотив, диагностирование, расчетные методы, техническое состояние, остаточный ресурс, продление срока службы.

*Aleksandr V. Grishchenko, D. Eng., professor, klok@land.ru; Vladimir V. Grachev, Cand. Sci. (Eng.), associate professor; Fedor Yu. Bazilevskiy, Cand. Sci. (Eng.), associate professor; Marina A. Shrayber, Cand. Sci. (Eng.), associate professor, goshapti4ka@yandex.ru (Petersburg State Transport University); Yuliya M. Ganiyeva, director general; Viktoriya V. Melnikova, deputy director general (EksPromTrans LLC) ESTIMATION OF REMAINING LIFE TIME OF SUPPORTING STRUCTURES OF INDUSTRIAL TRANSPORT LOCOMOTIVES

Objective: To develop an improved method for estimation of remaining resource of supporting structures of industrial transport locomotives. Methods: Methods of mathematical simulation in the finite-elements SolidWorks software environment were used, as well as methods of full-scale tests of supporting structures of industrial transport diesel locomotives. Results: The paper demonstrates theoretical and practical possibilities for expanding set operational life of industrial transport locomotives that takes actual intensity of their operation into account. As a result of the forecast, the primary indicator of remaining resource is estimated as gamma-percentile life set by two numerical values - operation time and percentage of probability that limit state would not be

38

reached during this operation time. A complex of organisational, calculation and technical means which allows evaluation of actual technical condition of diesel locomotives' supporting structures was developed. Practical importance: Calculation data allows increasing reliability of estimate of remaining life by 12 to 15 per cent.

Operation time, locomotive, diagnostics, calculation methods, technical conditions, remaning life, increasing operation time.

Ни для кого не секрет: парк отечественного тягового подвижного состава изношен до предела, особенно тот, который принадлежит промышленным предприятиям, так как за более чем 20 лет они практически не закупали новые локомотивы.

Большинство специалистов отмечает, что, если не принять срочных мер, к 2016 г. более 95 % локомотивов промышленного транспорта выработают назначенный срок службы, а их эксплуатация будет запрещена действующими нормативными документами.

С учетом того, что локомотивы промышленного транспорта проходят регулярное техническое обслуживание, эксплуатируются в условиях благоприятных нагрузок и не испытывают высоких продольных воздействий, можно предположить: несмотря на истечение нормативного срока службы, технический ресурс этих локомотивов выработан далеко не полностью. Отечественная и зарубежная практика показывает, что фактический срок эксплуатации локомотивов промышленного транспорта зачастую может существенно превышать срок, заявленный производителем. Исходя из невозможности одновременного обновления всего парка локомотивов и наличия остаточного ресурса, целесообразно экспертное обследование их технического состояния для обоснования возможности продления срока службы за счет обновления изношенного оборудования и усиления ослабленных несущих конструкций.

При таких обстоятельствах одной из важнейших задач экспертного обследования локомотивов, формально не предусмотренного действующими нормативными документами, становится оценка остаточного ресурса. Эта задача непроста, ее нельзя решить путем типовых профилактических испытаний.

Методика оценки остаточного ресурса локомотивов

Остаточный ресурс несущих конструкций локомотива в целом на момент обследования определяется узлом, который имеет наименьший остаточный ресурс. Выявить такой узел можно только комплексной экспертизой, иначе можно легко ошибиться из-за недосмотра и недоучета имеющихся

39

на момент обследования дефектов. Так как оценка остаточного ресурса имеет вероятностный характер, для получения более точной оценки необходимо подтвердить предполагаемые дефекты несколькими методами. Чтобы принять обоснованное решение об отстранении локомотива из эксплуатации, о направлении его в ремонт, об объеме ремонта или о продолжении эксплуатации, необходимо не только определить узел с наименьшим остаточным ресурсом, но и получить надежную информацию об остаточном ресурсе всех других узлов, деталей и систем.

Наиболее эффективную комплексную экспертизу локомотивов можно получить при наличии развитой организационной и технологической системы контроля их технического состояния, которая бы выдавала максимум информации о техническом состоянии при минимальном вмешательстве в процесс эксплуатации. Такая система должна включать в себя:

• специализированные звенья, укомплектованные высококвалифицированными и опытными специалистами, работающими на постоянной основе;

• парк высокотехнологичных современных приборов;

• развитую и регулярно обновляемую методическую базу;

• систему дистанционного мониторинга функциональных параметров работающих локомотивов с возможностью архивирования данных;

• отлаженную систему ведения ремонтной и эксплуатационной документации эксплуатируемых локомотивов;

• регулярные дооснащение новыми эффективными средствами контроля и улучшение контролепригодности локомотивов.

Перечень работ комплексной экспертизы не может быть исчерпывающим: всегда остаются какие-то свойства или параметры, для проверки которых нет соответствующих методов и средств контроля, или существующие средства недоступны на момент обследования, поэтому состав методов и средств, применяемых при комплексной экспертизе, предопределяется конструктивными особенностями локомотивов, обстоятельствами обследования и поставленными задачами. Основной признак комплексности - это максимальный (исходя из имеющихся средств) охват свойств и характеристик контролируемого локомотива и использование взаимно дополняющих, уточняющих и перекрывающих друг друга средств и методов.

Имеющиеся диагностические методы и технологии позволяют обследовать локомотивы в целом, узлы на работающем локомотиве, на локомотиве, находящемся в разобранном состоянии, в том числе путем лабораторных исследований и анализов материалов и информации, полученных тем или иным способом [2]. Получаемые результаты дополняют и обогащают друг друга.

Задача продления срока службы и обеспечения надежности работы локомотивов решается путем своевременного выявления и устранения дефектов, не позволяющими им развиться до такой степени, при которой возникнет

40

аварийная ситуация или последует необратимое разрушение локомотива. Наряду с устранением выявленных дефектов известным способом сбережения ресурса работоспособности является замедление или прекращение развития этого дефекта [1].

Любой локомотив является восстанавливаемым изделием. Большинство узлов локомотива можно восстановить или заменить, таким образом ресурс работоспособности локомотива восстанавливается полностью (в редких случаях) либо частично (как правило).

Многолетний опыт использования методов оценки остаточного ресурса несущих конструкций основывается на выявлении и анализе устойчивых тенденций изменения контролируемых параметров за длительный срок регулярных наблюдений. Критерии, позволяющие оценивать определенные аспекты технического состояния, - как пороговые уровни отдельных параметров, так и тенденции их изменения, выявляемые в ходе экспертных обследований [3].

Порядок оценки остаточного ресурса

Алгоритм оценки остаточного ресурса несущих конструкций локомотива включает следующие этапы.

1) Анализ технической документации, цель которого - установить номенклатуру технических параметров, предельные состояния, выявить наиболее вероятные отказы и повреждения, а также элементы конструкций и их участков, рост поврежденности и дефектность в которых могут привести к ресурсному отказу. Особое внимание необходимо уделить анализу критериев, причин, последствий и критичности отказов, выявлению возможных постепенных деградационных и зависимых отказов, подтверждению отсутствия возможности внезапных отказов.

Анализу должна подлежать:

• нормативно-техническая, конструкторская (проектная) и эксплуатационная (в том числе монтажная) и ремонтная документация;

• техническая документация и научно-техническая информация об отказах и повреждениях по парку локомотивов и аналогичному оборудованию.

Анализ технической документации завершается составлением перечня проанализированной документации и карты локомотива в виде эскизов и таблиц с указанием элементов, и участков, которые в результате особенностей их конструкторской или технологической реализации и условий функционирования и нагруженности представляются наиболее предрасположенными к появлению повреждений и к отказам (в особенности скрытым, зависимым и внезапным).

На этом этапе изучается интенсивность эксплуатации обследуемого локомотива с целью прогнозирования нагруженности его узлов и агрега-

41

тов. К параметрам, характеризующим этот показатель, относятся пробег, масса перевозимого груза, возможность перегруза, коэффициент использования, вид перевозимых грузов и их коррозионные или абразивные свойства.

2) Анализ повреждений и отклонений параметров технического состояния, который проводится на основании данных, полученных при анализе технической документации, а также оперативной диагностики и экспертного обследования. Должны быть установлены текущее техническое состояние локомотива, уровень и механизмы повреждений, фактическая нагруженность, необходимые для прогнозирования развития этого состояния в соответствии с установленными закономерностями доминирующих механизмов повреждения до достижения параметрами технического состояния значений, при которых локомотив переходит в предельные состояния.

Анализ должен включать:

• оценку фактической нагруженности основных элементов конструкции локомотивов, выполненную расчетным методом по действующим нормативно-техническим документам с учетом всех режимов нагружения и действующих нагрузок (включая температурные воздействия), фактических геометрических параметров конструкции, фактической толщины ее несущих элементов, имеющихся и выявленных концентраторов напряжений и экспериментальных результатов исследований напряженно-деформированного состояния, полученных при оперативной диагностике и экспертном обследовании;

• установление механизмов образования и роста обнаруженных дефектов и повреждений, возможных отказов (постепенных, деградационных, внезапных, включая их категории, последствия и критичность) вследствие развития дефектов и повреждений; при этом особое внимание надо уделить подтверждению отсутствия возможности внезапных отказов, при которых невозможно прогнозирование остаточного ресурса;

• оценку параметров технического состояния локомотива, их соответствие требованиям нормативно-технической и конструкторской документации, а по отклонению от требований - установление определяющих параметров технического состояния;

• установление уточненной по сравнению с указанной в нормативнотехнической документации системы предельных состояний и их критериев (например, уровень прогрессирующего формоизменения, возникновение предельно допустимых трещин, уровень течи перед разрушением и т. д.);

• заключение о необходимости дальнейших уточненных расчетов и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния и характеристик материалов;

• заключение о возможности дальнейшей эксплуатации локомотива с установлением назначенного ресурса (до проведения уточненных расче-

42

тов и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния, характеристик материалов и оценки остаточного ресурса) в случае отсутствия повреждений, влияющих на параметры технического состояния локомотива.

Экспертное обследование должно дать информацию о реальном техническом состоянии локомотива, о наличии в нем повреждений, выявить причины и механизмы их возникновения и развития. Экспертное обследование проводится в соответствии с Программой и методикой применительно к данной серии локомотивов.

В общем случае Программа и методика предусматривают:

• визуальный (внешний и внутренний) контроль;

• измерения геометрических параметров, включая толщинометрию;

• замеры твердости и определение механических характеристик, металлографические исследования, определение химического состава металла, дефектоскопический контроль, вид и объем которого устанавливается с учетом требований полноты и достаточности выявления дефектов и повреждений данного локомотива;

• при необходимости - испытания на прочность (с применением методов тензочувствительных покрытий, тензометрии, акустической эмиссии, термографии и др.).

Результаты экспертного обследования оформляются в виде протоколов измерений, карт дефектности и повреждений локомотива с таблицами данных, вносятся в базу данных по локомотиву и отражаются в отчете или в техническом заключении. В случае обследования неисправного (но ремонтнопригодного) или нефункционирующего локомотива порядок проведения оперативной диагностики и экспертного обследования может быть изменен.

Сначала выполняется органолептический контроль (наружный и внутренний осмотр) кузова и рамы локомотива для визуального и метрологического выявления отклонений геометрических размеров конструкций обследуемого локомотива от проектных, обнаружения трещин, деформаций, других дефектов, а также для определения зон углубленного исследования материала и сварных соединений. Затем проводится толщинометрия основных несущих элементов конструкции локомотива. При этом используются измерительные приборы и инструменты для выявления зон и степени утончения элементов металлоконструкций, которые могут возникать вследствие деформаций, коррозионного или абразивного воздействия внешней среды, грузов или сопрягающихся элементов.

4) Уточненные расчеты и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния и характеристик материалов нужны для получения дополнительной (а также отсутствующей в технической документации) информации об уровне номинальных и местных напряжений

43

и деформаций с учетом фактических свойств материалов, необходимой для установления механизмов повреждений и непосредственно расчетов остаточного ресурса.

Уточненные расчеты проводятся с учетом всех режимов и действующих нагрузок за период эксплуатации (включая температурные воздействия и взаимодействие с внешней средой), а также возможных изменений характеристик материалов. В Программе и методике разработаны расчетные модели, применяемые для определения усилий, перемещений, напряжений и деформаций в рассчитываемых конструкциях, по методу конечных элементов с использованием пакета прикладных программ SolidWorks.

Сравнительные измерения, которые обычно применяют для проверки результатов расчетов по методу конечных элементов показывают, что разница между результатами расчетов и измерений не превышает 10 %, что вполне приемлемо для оценки деформаций и напряжений, действующих на раму тепловоза.

Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния, выполненные по нормативным документам, не регламентированным непосредственно для обследуемого локомотива, подвергаются проверке экспериментальными методами (тензометрии, тензочувствительных покрытий, термометрии, акустической эмиссии и т. д.), которые в отдельных случаях (например, в отсутствие достаточно точных или апробированных на практике методов для сложных расчетных случаев) могут использоваться самостоятельно. При этом применяются (при достаточном теоретическом и экспериментальном обосновании) методы математического моделирования и ускоренные методы испытания.

Характеристики материалов уточняются по образцам, вырезанным из элементов конструкции рамы локомотива, или по образцам-свидетелям (в отдельных случаях при достаточном экспериментальном обосновании -на их имитаторах) в соответствии с программами исследований, составленными с учетом обнаруженных повреждений и условий эксплуатации элемента конструкции. При этом перечень характеристик материала должен быть расширен и включать кроме стандартных прочностных свойств в зависимости от условий эксплуатации характеристики малоцикловой и многоцикловой усталости, длительной прочности, трещиностойкости, сопротивления коррозии и коррозионному растрескиванию и другие.

Испытания образцов и определение характеристик материалов проводятся в соответствии с нормативно-технической документацией. По результатам скорректированных расчетов и исследования напряженно-деформированного состояния и характеристик материалов уточняются механизмы повреждений, параметры технического состояния, устанавливаются определяющие параметры технического состояния и критерии предельных состояний.

44

5) Остаточный ресурс локомотива определяется по совокупности информации прогнозированием его технического состояния до достижения предельного состояния определяющих параметров.

На первой стадии прогнозирования величины остаточного ресурса показывается, что благодаря обследованиям и анализу технического состояния известны:

• параметры технического состояния локомотива;

• определяющие параметры технического состояния, изменяющиеся согласно выявленному механизму повреждения элементов рамы локомотива;

• критерии предельных состояний рамы локомотива, достижение которых возможно при развитии выявленных повреждений.

Заключение

В качестве основного показателя остаточного ресурса в результате прогноза определяется гамма-процентный ресурс, задаваемый двумя численными значениями: наработкой и выраженной в процентах вероятностью того, что в течение этой наработки предельное состояние не будет достигнуто.

Вероятность (гамма) выбирается в зависимости от назначения, степени ответственности и режима использования локомотива. Для уникальных и ответственных деталей локомотивов, преждевременное прекращение работы которых может привести к существенным экономическим потерям, это значение может достигать 90-95 %. Если переход базового элемента локомотива в предельное состояние (ресурсный отказ) связан с опасностью для жизни и здоровья людей, со значительными экологическими последствиями, и технические параметры не контролируются непрерывно, продолжительность эксплуатации следует нормировать заданием назначенного ресурса, основываясь в том числе на полученных показателях остаточного ресурса.

Библиографический список

1. Инструкция по сварочным и наплавочным работам при ремонте тепловозов, электровозов и дизель-поездов. - М. : МПС России ЦТ-336, 1996. - 86 с.

2. Нормы для расчета прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог колеи 1520 мм. - М. : ВНИИЖТ, 1998. - 145 с.

3. Прочность и безотказность подвижного состава железных дорог / под ред. А. Н. Сокольника. - М. : Машиностроение, 1990. - 288 с.

45

References

1. Instruktsiya po svarochnym i naplavochnym rabotam pri remonte teplovozov, elektro-vozov i dizel-poyezdov. [Instruction on welding and building-up works in repairs of diesel locomotives, electric locomotives and diesel trains]. Moscow, MPS Rossii TsT-336, 1996. 86 p.

2. Normy dlya rascheta prochnosti nesushchikh elementov, dinamicheskikh kachestv i vozdeystviya na put ekipazhnoy chasti lokomotivov zheleznykh dorog kolei 1520 mm. [Norms for calculations of strength of supporting structures, dynamic qualities and track influence of locomotive under-frame on 1,520-mm gauge railways. Moscow, VNIIZhT, 1998. 145 p.

3. Prochnost i bezotkaznost podvizhnogo sostava zheleznykh dorog [Strength and fail-safety of railway rolling stock]; ed. A. N. Sokolnik. Moscow, Mashinostroyeniye, 1990. 288 p.

ГРИЩЕНКО Александр Васильевич - д-р техн. наук, профессор, klok@land.ru; ГРАЧЕВ Владимир Васильевич - канд. техн. наук, доцент; БАЗИЛЕВСКИЙ Федор Юрьевич - канд. техн. наук, доцент; ШРАЙБЕР Марина Александровна - канд. техн. наук, доцент, goshapti4ka@ yandex.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I); ГАНИЕВА Юлия Максимовна - генеральный директор; МЕЛЬНИКОВА Виктория Викторовна - заместитель генерального директора (ООО «ЭксПромТранс»).

© Грищенко А. В., Грачев В. В., Базилевский Ф. Ю., Шрайбер М. А., Ганиева Ю. М., Мельникова В. В., 2015

46