ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ГЛАВНОЙ РАМЫ И ПРОДЛЕНИЕ СРОКОВ СЛУЖБЫ МАНЕВРОВЫХ ЛОКОМОТИВОВ НА АО “УТЙ”

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена актуальным вопросам контроля и расчета остаточного ресурса главной рамы маневровых тепловозов эксплуатируемых на железной дороге Узбекистана. В статье представлено математические методы расчета остаточного ресурса локомотивов, а также обоснована целесообразность продление срока службы маневровых локомотивов на самой ранней стадии их развития. Полученные результаты с помощью программной среды Solidworks которая позволяет анализировать расчеты и выявлено силы, действующие на главную раму локомотивов. Также представлено математическое описание происходящих в процессе работы главной рамы локомотивов, при исследовании сложных физических явлений. Кроме этого, про анализировано 3-D модель главная рама с усилиями. Проведен анализ локомотивного парка АО «Узбекистон темир йуллари» исходя из данных парка произведен детальный анализ маневровых локомотивов. Исследовано методы прогнозирования остаточного ресурса главной рамы и продление сроков службы маневровых локомотивов.

ABSTRACT

The article is devoted to topical issues of control and calculation of the residual life of the main frame of shunting diesel locomotives operated on the railway of Uzbekistan. The article presents mathematical methods for calculating the residual life of locomotives, and also substantiates the expediency of extending the service life of shunting locomotives at the earliest stage of their development. The results obtained using the Solidworks software environment, which allows you to analyze the calculations and identify the forces acting on the main frame of the locomotives. A mathematical description of the main frame of locomotives occurring during the operation of the main frame of locomotives is also presented, in the study of complex physical phenomena. In addition, the 3-D model of the main frame was analyzed with efforts. An analysis of the locomotive fleet of JSC “UZBEKISTAN RAILWAYS” was carried out, based on the fleet data, a detailed analysis of shunting locomotives was carried out. Methods for predicting the residual life of the main frame and extending the service life of shunting locomotives have been studied.

Ключевые слова: Эксплуатация, рама, металл, остаточный ресурс, сварные швы.

Keywords: Operation, frame, metal, residual life, weld seam.

Введение. Маневровые локомотивы локомотивного парка АО «Ўзбекистон темир йўллари» исчерпан срок службы в течение тридцати лет новые маневровые локомотивы практически не было куплено со стороны АО «Ўзбекистон темир йўллари».

Эксплуатационный износ маневровых локомотивов, с одной стороны, и устойчивая тенденция роста объемов перевозок на железнодорожном транспорте Узбекистана (Ўзбекистон темир йўллари), с другой стороны, подтолкнуло к поиску радикальных способов увеличения количества тяговых единиц в эксплуатации. В качестве одного из возможных путей решения указанной проблемы было предложено проведение капитального ремонта с продлением срока службы (КРП) маневровых локомотивов после исчерпания назначенного срока службы (более 50 лет).

При проведении КРП подразумевается осуществление глубокой модернизации конкретного объекта железнодорожного транспорта Узбекистана, направленной на повышение его эксплуатационных свойств и не ухудшающей его основных технических параметров (тяговых и т.п). Такой подход эффективен при условии достаточно быстрой окупаемости модернизированного объекта железнодорожного транспорта, влечет необходимость сохранения его наиболее трудоемких и металлоемких узлов (главная рама, рамы тележек, кузов, кабина и т.п.), определяющих все компоновочные решения и идентификационный номер изделия [1].

Анализ локомотивного парка АО «Ўзбекистон темир йўллари»

Локомотивный парк АО «Узбекистон темир йуллари» постоянно пополняется современными электровозами грузового и пассажирского подвижного состава. В таблице 1 приведен анализ численности локомотивного парка АО «Узбекистон темир йуллари» в 2020-2021 годах [2].

Таблица 1.

Анализ численности локомотивного парка АО «Узбекистон темир йуллари» в 2020-2021 годах

Первая и вторая диаграммы показывают долю тягового подвижного состава в процентах в 2020-2021 годах.

Рисунок 1: состояние локомотивного                     Рисунок 2: состояние локомотивного

     парка в 2020 году                                                           парка в 2021 году       

Исходя из состояния локомотивного парка АО «Узбекистон темир йуллари» на 2020 год, согласно первой диаграмме, маневровые локомотивы составляют 44%, электровозы 28%, тепловозы 24% и электросекции 4% и на второй диаграмме 2021 году маневровых локомотивов 44%, электровозов 30%, тепловозы 22% и электросекции 4%.

В локомотивном парке в 2020-2021 годах маневровые локомотивы (ТЭМ2 и ЧМЭ3) составляют 44%, электровозы 4%, и мы можем наблюдать, что показатель не изменился. В основном изменения коснулись современных электровозов, которые увеличились с 28% до 30% из-за покупки, в то время как тепловозы сократились с 24% до 22% из-за истечения срока службы. Виды и количество тягового подвижного состава позволяют определить средний возраст локомотивного парка на основе тесной связи их с годами выпуска (возрастом).

В таблице 2 ниже представлен анализ типов структуры тягового подвижного состава в текущем периоде эксплуатации в локомотивном парке АО «Узбекистон темир йуллари» по годам (возрасту) выпуска.

Таблица 2.

Анализ по возрасту тягового подвижного состава при эксплуатации локомотивного парка АО «Узбекистон темир йуллари»

В диаграмма 2, показано доля в процентах тягового подвижного состава более 30 лет в производстве локомотивного парка.

Рисунок 3. Состояние по выпуску

Производственному парку локомотивов более 30 лет, тягу подвижного состава выполняют маневровые локомотивы (ТЭМ2 и ЧМЭ3) 59%, поездные (магистральные) тепловозы 31% и электровозы 10%.

Анализ лет выпуска маневровых локомотивов типа ТЭМ2 в локомотивном парке АО «Узбекистон темир йуллари» представлен в таблице 3.

Таблица 3.

Истечение срока службы тепловозов серии ТЭМ2 локомотивного парка АО «Узбекистон темир йуллари

Из-за ограниченных инвестиционных возможностей очень сложно заменить маневровые локомотивы нового поколения на новые. Поэтому, в дополнение к постепенному обновлению парка за счет приобретения новых маневренных локомотивов, также желательно продлить срок службы локомотива за счет капитального ремонта части парка.

Рисунок 4. Диаграмма: Анализ маневровых локомотивов серии ТЭМ2 в локомотивном парке АО «Узбекистон темир йуллари» за годы выпуска

На четвертой диаграмме приведен продолжительность срока службы со дня выпуска, можем заметит, что маневровые тепловозы серии ТЭМ2 составляют от 30 до 40 лет - 17%, от 40 до 50 лет - 65%, а 18% - более 50 лет. Срок службы при капитальном ремонте локомотивов типа ТЭМ2 увеличивается на основании нормативных документов и этот срок должен составлять не более 50 лет.  Из четвертой диаграммы видно, что пятая часть узлов маневровые тепловозы серии ТЭМ2 в локомотивном парке АО «Узбекистон темир йуллари» прошла срок службы, и в худшем случае этот показатель увеличивается из года в год[1-3].

Результаты и анализ результатов

Определение остаточного срока службы главного рамы маневровых локомотивов осуществляется путем диагностики. В процессе диагностики, однако, управление без повреждений (неразрушающий контроль) и осуществляется в положении, когда главный рамы локомотива разделен на части.

Настоящая работа посвящена изучению особенностей при проведении КРП подразумевается осуществление глубокой модернизации конкретного объекта железнодорожного транспорта Узбекистана, направленной на повышение его эксплуатационных свойств и не ухудшающей его основных технических параметров (тяговых и т.п). Такой подход эффективен при условии достаточно быстрой окупаемости модернизированного объекта железнодорожного транспорта, влечет необходимость сохранения его наиболее трудоемких и металлоемких узлов (главная рама, рамы тележек, кузов, кабина и т.п.), определяющих все компоновочные решения и идентификационный номер изделия[4].

Для предотвращения аварийных ситуаций и необратимого разрушение маневровых локомотивов эксплуатируемых на “Ўзбекистон темир йўллари” АО основным приоритетом является продления срока службы и обеспечения безопасности маневровых локомотивов с помощью преждевременного прогно-зирования и устранения неисправностей. Остаточный ресурс маневрового локомотива определяется узлом, который имеет наименьший остаточный ресурс, этим узлом подвижной единицы является главная рама [5].

Рисунок 1. 3-D модель главной рамы тепловоза серии ТЭМ2

Рассмотрим основные методы для определения остаточного ресурса главной рамы маневрового локомотива. Для выявления остаточного ресурса служить несущая конструкция главной рамы маневрового локомотива. Маневровые локомотивы во время эксплуатации не эксплуатируется на полную мощность, исходя из этого можно предложить, что остаточный ресурс еще не выработан полностью.

Рассмотрим оценку остаточного ресурса главной рамы на основе маневрового тепловоза ТЭМ2.Маневровая работа является неотъемлемой частью перевозочного процесса. На сегодняшний день основным типом локомотивов, предназначенных для выполнения тяжелой маневровой работы на железных дорогах Узбекистана, являются тепловозы типа ТЭМ2[6].

Критические напряжения для стержней определяются по формуле Эйлера:

,

где Е – модуль упругости;

 - гибкость стержня для ,

,

 - предел пропорциональности при сжатии (для стали Ст3

( = 200 мПа, для стали 09Г2  = 270 мПа).

Материали, подвергнутые чистому сдвигу в области упругих деформаций, имеют критические напряжения, определяемые формулой:

,

Где, k – коэффициент, зависящий от отношения сторон пластины (a/b) и условий ее закрепления.

При совместном действии сжатия, изгиба и сдвига критические напряжения вычисляются по формулам:

;

,

Где,  ,  

Критические напряжения определяются по формуле:

,

где   и  - толщина и радиус кривизны панели обшивы.

Расчетные силы [7-8].

При расчетах на прочность экипажной части локомотива должны учитываться следующие силы:

- собственная сила тяжести (вес) экипажа и сила тяжести размещенного на нем оборудования;

- инерционные, упругие и диссипативные силы, вызванные колебаниями локомотива при его движении;

- силы от работы тяговых электродвигателей и других механизмов, установленных на локомотиве;

- силы, связанные с тягой локомотива и торможения поезда;

- аэродинамические силы;

- силы, возникающие при вписывании локомотива в кривые участки пути;

- силы соударения;

- силы, прикладываемые к элементам локомотива при ремонтно-аварийных работах.

Перечисленные силы при расчете напряженно-деформированного состояния экипажа локомотива принимаются действующими статически и приводятся к следующим основным схемам их приложения:

- вертикальные:

- боковые;

- продольные;

- кососимметричные.

Рисунок 2. Анализ напряжения на главную раму тепловоза серии ТЭМ2

Вертикальные силы состоят из собственной силы тяжести экипажа локомотива, силы тяжести, размещенного на нем оборудования и вертикальных составляющих динамических нагрузок.

Динамическая вертикальная сила от колебаний кузова на рессорном подвешивании определяется умножением силы тяжести кузова, включая 1/3 силы тяжести пружин второй ступени рессорного подвешивания, на коэффициент вертикальной динамики этой ступени.

Рисунок 3. Анализ перемещений после усилий на главную раму тепловоза серии ТЭМ2

Динамическая вертикальная сила от колебаний тележки определяется умножением силы тяжести ее обрессоренной массы, включая 1/3 силы тяжести пружин обеих ступеней подвешивания, на коэффициент вертикальной динамики.

Расчетные коэффициенты вертикальной динамики определяются по формуле:

,

где   - общий статический прогиб рессорного подвешивания;

V  - скорость движения.

Знак « - » для элементов кузова; « + » для обрессоренных элементов тележки и над рессорных балок.

Под собственной силой тяжести экипажа локомотива понимается суммарная сила тяжести его частей, плюс 2/3 части топлива и песка.

Под силой тяжести оборудования понимается суммарная сила тяжести электрического, механического и другого оборудования, размещенного внутри кузова и вне его, а также на тележках, нагружающих расчетный элемент

 Вертикальная составляющая (добавка) на тележку и кузов от продольной силы инерции кузова определяется по формуле:

,

где   - сила инерции кузова брутто;

   - расстояние от центра тяжести кузова до плоскости опор на тележку;

2L    - база кузова.

 Боковые силы определяются центробежной силой, силой давления ветра и динамическим взаимодействием локомотива и пути в горизонтальной плоскости.

Центробежная сила определяется отдельно для кузова и тележек, исходя из непогашенного ускорения 0,7 м/с².

Сила давления ветра определяется из расчета удельного давления ветра на боковую проекцию кузова (тележки) равного 500 Н/м².

Горизонтальные поперечные (рамные) силы, действующие на локомотив при вписывании в кривые, определяются из условия равновесия экипажа при движении его в круговой кривой с непогашенным ускорением 0,7 м/с². Коэффициент трения между колесом и рельсом принимается равным 0,25.

Максимальные рамные силы не должны превышать 40% от силы тяжести локомотива.

Продольные силы представляют собой силы взаимодействия между локомотивом и вагонами, возникающие при движении в поезде, а также выполнении маневров, силы тяги и торможения и возникающие при этом продольные силы инерции.

Оценка сопротивления усталости и долговечности.

При отсутствии гистограммы распределения амплитудных значений напряжений, характеризующей нагруженность элемента за назначенный срок службы, и отсутствии параметров кривой усталости материала, оценку сопротивления усталости проводить по формуле:

,

где     - среднее значение предела выносливости стандартного образца при симметричном цикле нагружения;

 - коэффициент, характеризующий понижение предела выносливости конструкции по отношению к пределу выносливости стандартного образца;

   -  амплитуда напряжений цикла;

   -  среднее напряжение цикла;

     -  коэффициент, характеризующий влияние ассиметрии цикла;

    - допустимый коэффициент запаса сопротивления усталости.

Значение коэффициента понижения предела выносливости определяется из выражения:

,

где      - коэффициент, учитывающий влияние неоднородности материала детали;

   -  коэффициент, учитывающий влияние внутренних напряжений детали. Величина его зависит от поперечных размеров детали;

    - коэффициент, учитывающий влияние размерного фактора;

     - коэффициент, учитывающий состояние поверхности;

   - эффективный коэффициент концентрации напряжений в узлах сложного очертания.

В связи с выработкой ресурса (более 50 лет), износом несущих конструкций этих типов тепловозов и появлением дефектов, одной из основных проблем является обеспечение прочности, надёжности и долговечности конструкции главной рамы тепловоза.

Заключение

Таким образом, показано, что своевременная выявления дефектов на узлах локомотивов служат для продления срока службы. Показано что состояния главной рамы определяет интенсивности работы локомотива и его долговечность и работоспособность.  Представленный математической модели расчета нагрузок локомотивных главной рам   позволяет максимально достоверно описать физические процессы при повреждении и неисправностях. С помощью предлагаемой модели диагностики может быть проведены работы по продлению срока службы локомотивов.

Список литературы:

1. Юсуфов А.М. Оценка остаточного ресурса главных рам маневровых тепловозов / Хамидов О.Р/ UNIVERSUM научный журнал Москва 2022 59-63 стр. DOI - 10.32743/UniTech.2022.95.2.13174.
2. Абдулазиз Юсуфов Махамадали ўғли, Қодиров Нозим Солиевич, Жамилов Шухрат Фармон ўғли,Келдибеков Зокир Оллабердиевич. (2022). “Ўзбекистон темир йўллари” акциядорлик жамияти локомотив паркини техник ҳолатини таҳлили. “Yosh Tadqiqotchi” Jurnali, 1(1), 198–205. doi.org/10.5281/zenodo.6298747.
3. Волохов Г.М., Тихомиров В.П. Остаточный ресурс несущих конструкций тягового подвижного состава железных дорог: монография.  Орел: ОрелГТУ, 2006. — 158 с.
4. Оганьян Э.С. Напряженно-деформированное состояние конструкций экипажной части тепловозов при соударениях и аварийных столкновениях // Тр. ВНИТИ. — Вып. 79. — Коломна, 1999. — С. 76—81.
5. Прочность подвижного состава при соударении // Железные дороги мира. — 2000. — № 4. — С. 32—36.
6. Теория и конструкция локомотивов: учебник для вузов ж.-д. транспорта / Г.С. Михальченко, В.Н. Кашников, В.С. Коссов, В.А. Симонов; под ред. Г.С. Михальченко. — М.: Маршрут, 2006. — 584 с.
7. 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.
8. Прочность и безотказность подвижного состава железных дорог / под ред. А. Н. Сокольника. – М.: Машиностроение, 1990. – 288 с.