РАСЧЕТ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА И ПРОДЛЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ СПЕЦИАЛЬНОГО САМОХОДНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

АННОТАЦИЯ

Изложены вопросы прогнозирования остаточного ресурса и продления сроков эксплуатации электроустановок специальных самоходных подвижных составов. Рассматриваются примеры решения их вероятности безотказного состояния на основе изменения статистических данных количественных показателей надежности, такие как математическое ожидание и дисперсия с последующим определением оптимальной периодичности текущих ремонтов с учетом реальных эксплуатационных режимов.

ABSTRACT

The issues of forecasting residual resource and prolongation of service life of electrical installations of special self-propelled rolling stock are described in the paper. Examples of solving the probability of their failure-free state are considered based on changes in statistical data of quantitative reliability indicators, such as mathematical expectation and variance with further determination of optimal periodicity of current repairs taking into account actual operational conditions.

Ключевые слова: Автомотрис, ремонт, обмоток, асинхронного двигатель, износ, отказ, фактор, статор, уравнения

Keywords: Railcar, repair, windings, asynchronous motor, wear, failure, factor, stator, equations

Введение. Автомотрисы и автодрезины являются одним из основных видов специальных самоходных подвижных составов ССПС, широко используемых на участках энергоснабжения, воздушных линий, дистанций пути, связи, а также при аварийно-восстановительных работах железнодорожного транспорта. Эксплуатация автомотрис и автодрезин, имеющих неисправности, которые угрожают безопасности движения, не допускается.

Комплекс испытательных мероприятий ССПС, проведенных эксплуатационным отделом АО «Узбекистон темир йуллари» по выявлению приспособленности узлов и деталей электроустановок к техническому обслуживанию и ремонту, возможности обнаружения, предупреждения и устранения отказов в работе ССПС, дает оценку ресурса его электроустановок, выявить положительные качества, а также конструктивные и технологические недостатки для технического диагностирования, допущенные при проектировании, изготовлении и размещении оборудования.

Метод: ССПС как объект для исследования надежности представляет собой сложную многоэлементную динамическую систему, работа которой характеризуется тяжелыми эксплуатационными условиями. В этих условиях состояние объекта непрерывно изменяется в зависимости от времени и режима эксплуатации.

Изменение состояния таких сложных систем, как правило описывается случайным процессом, представляющим собой чередование интервалов времени работоспособности объекта и времени восстановления после отказов.

Известно, что техническое состояние элементов и узлов устройств в эксплуатации носят внезапный или постепенный характер и они относятся к статистической модели «параметр - поле допуска» и зависит в готовом виде от качества изготовления и ремонта систем []. Внезапные отказы как сгорание катушек реле обрыв провода, коммутационные неисправности элементов приводят объект к неплановому ремонту, а постепенные отказы, например, состояние электроизоляции, изменение электромеханических характеристик систем управления, определяют сроки проведения технического обслуживания и ремонта.

В процессе эксплуатации ССПС на него действует непрерывно изменяющийся от времени и нагрузки некоррелированные между собой детерминированный сигнала s(t), возникающего вследствие повреждений электрической или механической части ССПС, и случайный процесс n(t)

                                (1)

под действием которых происходит преобразование параметров объекта и на выходе формируется реализация процесса-необратимого изменения параметров технического состояния (электрическая прочность, износ зубьев редукторов и пр.) во времени

                                        (2)

Показатели надежности CCПС, такие как наработка на отказ t_i, время восстановления, средний срок службы t_k, средняя интенсивность (t) и поток отказа (t), вероятность безотказной работы P(t_p) за расчетное время t_p, коэффициент готовности (K_г) показывают, что их  количественные характеристики описываются марковским случайным процессом, при которой i=1,2, … с достаточной доверительностью соблюдается принцип независимости отрицательно действующих процессов на объект, и с одинаково распределёнными случайными величинами с экспоненциальной функцией распределения

            (3)

Где: - соответственно параметр потока и интенсивность отказов, 1/год.

Анализ данных количественной оценки показателей надежности проведенных в эксплуатационном отделе ССПС ОА «Узбекистон темир йуллари», в количестве 27 автомотрис типа АДМ-1 и других аналогов проведённой 2010-2018гг. показывает, что наблюдается их отказы по электроустановкам 57, гидроустановка 45 и механической части33. При этом выявилось, что отказы имеют приработочный характер и возникают вследствие роста эксплуатационных нагрузок, являющихся повышенными по сравнению с допустимыми техническими характеристиками, в частности для электродвигателей и контактной системы их управления, имелись также дефектные элементы из-за несовершенной системы контроля в процессе технологии изготовления и низкой квалификации в обслуживающего персонала.

Характерными отказами электроустановок ССПС является тепловой электрической пробой и межвитковые замыкания обмоток статора асинхронного двигателя, составляющего более 72,0%, отказы пультов управления реле - 13,5%, обрыв наконечников проводной сети - 7,2% и пр.

На основании анализа времени восстановления T_в, зависящее от характера отказа, ремонтопригодности электроустановок автомотрис и подготовленности обслуживающего персонала, установлено характерное несимметричное распределение плотности вероятности времени восстановления работоспособности электродвигателей и вспомогательных электрических цепей управлений (рис. 1, а), гидравлической (рис. 1, б) и механической части (рис. 1, в) автомотрис, их близость к их моде распределения. Такой характер закона распределения математически определяется законом Эрланга [7]:

                                           (4)

а)     б)

в)

Рисунок 1. Плотность вероятности времени восстановления: а) электрической, б) гидравлической, в) механических установок автомотрис

C другой стороны этот же анализ показывает, время восстановления автомотрисы, соответствующее моде распределений, составляет по электроустановке, гидроустановки и механической части составляет соответственно 88, 44, 4 и 41 час что говорит и о целесообразности более совершенной технико-технологического обслуживания и текущего ремонта (рис.1).

Непрерывным повышенным эксплуатационным нагрузкам должны соответствовать исходные характеристики работоспособности всех основных частей ССПС.

Разнообразные узлы и установки автомотрис, определяемые тяжелыми эксплуатационными условиями, естественно, характеризуется несколькими количественными параметрами надежности. Поэтому важно установить прогнозирующий параметр, однозначно и быстро изменяющийся в условиях эксплуатации и далее определить остаточный ресурс ССПС.

К составной части прогнозирующего параметра i-го элемента, который достигает своего критического значения  можно отнести его математическое ожидание M_i (t) и  дисперсию D_i(t), изменяющиеся непрерывно медленно, плавно, монотонно с интенсивностью . Уравнения изменения параметров во времени можно аппроксимировать в следующем виде:

                                          (5)

Где:  - соответственно математическое ожидание и дисперсия i-го элемента в начальный момент времени;

 - математическое ожидание и дисперсия интенсивности изменения прогнозирующего параметра.

Известно что, непрерывность и монотонность изменения прогнозирующих параметров обуславливает асимптотическую независимость его случайного процесса, приводящему в конечном счёте к закону распределения вероятности без отказной работы по Бернштейну [6]

                                                  (6)

где Ф-функция Лапласа.

Для трехфазного асинхронного двигателя автомотрисы, прогнозирующим параметром является сопротивление изоляции статорных обмоток относительно корпуса, межфазные сопротивления, а также экстрицентитент ротора, определяемый спектром модулированных токов статорной обмотки, а также тепловое состояние статорной обмотки при изменении кратности его токов.

Одним из основных факторов, влияющим на работоспособность асинхронных двигателей (АД) является перегрев обмоток статора с последующим определением ресурса электрической изоляции от изменения кратности его тока. Измерения, приведенные при ремонтных испытаниях, показали, что снижение электрической изоляции обмоток статора относительно корпуса составили  и  Подставляя эти данные в уравнения (6), учитывая допустимые тепловые данные АД получаем вероятность остановочного ресурса обмотки статора трехфазного асинхронного двигатели типа MTF-112-6, мощностью 5,0 кВТ, с номинальным током статора 14,5 А используемого в автомотрисы АДМ-1.

                                         (7)

Зависимость вероятности безотказной времени работы АД, рассчитанного по (7), показана на рис. 2.

Рисунок 2. Зависимость вероятности безотказной времени работы асинхронного двигателя автомотрисы

Из рис. 2 видно, что зависимость срока службы асинхронного двигателя с вероятностью P=0, 925 составляет t=2,96 лет, а для P=0,95t=1,73 лет.

Так как работоспособность электрических гидро- и механических установок автомотрис определяется исходными и эксплуатационными характеристиками, отработка ресурса происходит неравномерно.

В следствии этого, целесообразно определить прогнозирующий параметр каждой установки, наиболее быстро изменяющейся в неблагоприятных условиях эксплуатации, и соответственно определять его отдельно каждый установки с учетом стоимости.

При этом необходимо учитывать, что если стоимость предупредительного ремонта меньше, чем суммарная стоимость аварийного ремонта и убытков от прекращения движения электроподвижного состава, то предупредительный ремонт экономически оправдан []. Вследствие этого ставится оптимизационная задача по критерию минимума ежегодных затрат, включая убытки из-за «окон» по прекращению движения подвижного состава:

                          (8)

Условия (8) соответствует критического минимума удельных затрат:

                        (9)

где .

Учитывая последние обозначения, (9) перепишем в виде равенства.

                          (10)

Статистика отказов электроустановок ССПС показывает, что они имеют износивший экспоненциальный характер и их частота возрастает со временем [5]. Cоответственно, такое увеличение отказов можно аппроксимировать выражением []:

                                                       (11)

Дифференцируя (10) по  и приравнивая производную нулю, учитывая (11) получим условия оптимума виде:

                       (12)

Из (12) получаем оптимальную периодичность

по раздельному текущему ремонту основных функциональных устройств самоходных подвижных составов.

Вывод.

Прогнозирование остаточного ресурса и продолжение срока эксплуатации основных функциональных устройств автомотрис и автодрезин, подвергаемых износу, стиранию и снижению  электрической прочности, связанных с потерей устойчивости эксплуатационных характеристик, требует периодического комплексного контроля, статистического анализа отказов его электрических, гидравлических и механических устройств, что дает возможность прогнозировать обобщенные показатели их надежности с последующим вычислениями вероятностей безотказной работы относительно времени их эксплуатации и определить оптимальную периодичность текущих ремонтов с учётом интенсивности отказов каждого устройства.

Список литературы:

1. Мухамедова З.Г. Оптимизация динамических характеристик и повешения энергоэффективности аварийно-восстановительных автомотрис: автореф. дис. на соиск. учен. степ. (PhD) (05.08.05) Мухамедова Зиёда Гафуржановна ТашИИТ- Ташкент 2017 37 с.
2. Kasimov, O. T., Djanikulov, A. T., & Mamayev, S. I. (2021, November). Modeling the bending of the tire surface by pads during braking. In AIP Conference Proceedings (Vol. 2402, No. 1, p. 070030). AIP Publishing LLC.
3. Djanikulov, A. T., Mamayev, S. I., & Kasimov, O. T. (2021, April). Modeling of rotational oscillations in a diesel locomotive wheel-motor block. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1889, No. 2, p. 022017). IOP Publishing
4. Инструкция по технологическому обслуживанию и ремонту специальных самоходных подвижных составов электрифицированных железных дорог. –М.: Трансиздат, 2002-86 с.
5.  Воробьев В.В., Самсонов М.А., Чекулаев В.Е. Автомотрисы и автодрезины. Управление и обслуживание 2014 М: Транспорт. 215с.
6. Гук Ю.Б. Теория надежности  в электроэнергетике –Л.: Энергоатомиздат. – 1990-208 с.
7. Заездный А.М. Основы расчетов по статистической радиотехнике. М:, «Связь» 1999г., 223с.
8. Mukhamedova Z.G. Xromova G.A Yutkina I.S  Mathematical model of oscillations of bearing body frame of emergency and repair railcar // Journal «Transport Problems», Volume 12, Issue 1, Gliwice 2017, pp. 93-103.