К ОБОСНОВАНИЮ ОПТИМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РЕМОНТА ЛОКОМОТИВОВ ДИЗЕЛЬНОЙ ТЯГИ

АННОТАЦИЯ

Приводится методика и алгоритм определения оптимальных объемов ремонта при известных цикличности ремонтного производства и межремонтных пробегах магистральных тепловозов серии ТЭ10 и серии UzTE16M в различном секционном исполнении. Базовой составляющей указанной методики является метод динамического программирования в сочетании с характеристиками надёжности узлов тепловозов и вероятностно – статистические методы их расчёта. Планирование оптимальных объемов ремонта производится на основе минимаксного критерия по величине полных эксплуатационных расходов на содержание каждого ремонтного узла тепловоза. Рекомендуется данные исследования продолжить с целью составления блок – схем и разработки рабочих программ для компьютерных аппаратно – программных комплексов и ЭВМ с последующим их внедрением в практику работы локомотивного комплекса Узбекской железной дороги.

ABSTRACT

A methodology and algorithm for determining the optimal volume of repairs with known cyclicity of repair production and between-repair runs of mainline diesel locomotives of the TE10 series and the UzTE16M series in various sectional designs is presented. The basic component of this methodology is the dynamic programming method in combination with the reliability characteristics of diesel locomotive components and probabilistic and statistical methods for their calculation. Planning of optimal volumes of repairs is carried out on the basis of a minimax criterion based on the value of the total operating costs for the maintenance of each repair unit of a diesel locomotive. It is recommended to continue this research with the aim of drawing up block diagrams and developing working programs for computer hardware and software systems and computers with their subsequent implementation in the practice of working the locomotive complex of the Uzbek Railway.

Ключевые слова: Метод, локомотивы, оптимальный объем, тепловоз, техническое обслуживание, текущий ремонт, межремонтный пробег, наработка агрегата, отказ.

Keywords: Method, locomotives, optimal volume, diesel locomotive, maintenance, current repairs, mileage between repairs, unit operating time, failure.

Введение

Магистральные тепловозы серии ТЭ10М и UzTE16M в различном секционном исполнении эксплуатируются на Узбекской железной дороге в специфических, "тяжёлых", климатических условиях, а именно: высокие температуры наружного воздуха (окружающей среды), большой перепад указанных температур воздуха, барометрическое давление и относительная влажность, малое количество выпадающих осадков и сильные ветры, способствующие возникновение песчаных бурь. Кроме этого, участки железных дорог отличаются по трудности (сложности) профиля пути

В данное время, применяемая структура схем обслуживания поездов указанными тепловозами и локомотивными бригадами в сочетание с тяжёлыми климатическими условиями требует установления (обоснования) оптимальной системы ремонтного производства с целью повышения эксплуатационной надёжности тепловозов в пути следования подвижного состава. Сказанное касается технического обслуживания ТО2 и текущего ремонта ТР1, так как на эти виды ремонтного производства расходуется приблизительно 30-50 процентов всех расходов деповского ремонта тепловозов.

С другой стороны, всё возрастающая сложность технических систем определяет актуальность теоретических и экспериментальных исследований в области эксплуатационной надежности с учётом её повышения.

Причём, параметры режима эксплуатации становятся все более интенсивными и сложными, что приводит к необходимости масштабной автоматизации производственных процессов, а также управления ими, в том числе с использованием мощных технологических компьютеров [1, 2].

Промышленные изделия, механическое оборудование и устройства, различные компоненты машин могут рассматриваться как базовые единицы с автономной работой, которые встроены в сложные агрегаты или установки [3].

Указанные тепловозы представляет собой сложный комплекс узлов и агрегатов, работающих совместно и любой случайный отказ одного из них, может привести к полному или частичному выводу локомотива из эксплуатации или к его эксплуатации в нестандартной (чрезвычайной) ситуации.

Постановка задачи исследования

Согласно комплексной программе развития и модернизации АО «Ўзбекистон темир йўллари» планируется существенно повысить эффективность использования железнодорожного транспорта Узбекистана, в том числе магистрального, где ставятся задачи существенного повышения надежности локомотивов, как за счет совершенствования конструкции локомотива, так и за счет совершенствования системы технического обслуживания и ремонта.

В мировой практике имеется тенденция к переходу от планово-предупредительной системы технического обслуживания и ремонта к ремонту по фактическому техническому состоянию, что стало возможным из-за развития автоматизированных систем технического диагностирования [4, 5] – бортовых на базе микропроцессорных систем управления локомотива, а также деповских переносных и стационарных.

В исследовании [6] показано, что задача разработки системы технического обслуживания и ремонта локомотивов с комплексным использованием автоматизированных систем технического диагностирования по технологии кибернетических физических производственных систем является актуальной.

Однако, система ремонта локомотивов, в том числе магистральных тепловозов в железнодорожной отрасли Узбекистана является планово - предупредительной и целесообразность её доказана многолетней практикой использования. Данная система характеризуется среднесетевыми нормами межремонтных пробегов, номенклатурой, объемами ремонтных работ и цикличностью осмотров и ремонтов. При изменении этих характеристик будет изменяться и система ремонтного обслуживания. В последнее время в связи с возрастанием значения системы ремонта, а также благодаря развитию теории надежности и вероятностно - статистических методов исследования появилась необходимость и возможность решать проблему совершенствования этой системы на научном подходе с учетом всех основных факторов, в том числе и случайных.

В основу разработки оптимальной системы ремонта тепловозов должны быть положены следующие основные принципы:

- учет народнохозяйственной эффективности использования тепловозов при экономической оценке отказов и порч тепловозов в эксплуатации;

- использование характеристик надежности узлов и деталей тепловозов и вероятностно – статистических методов;

- дифференцированный повод к определению параметров системы ремонтного обслуживания;

- оптимизация параметров ремонтного обслуживания.

Обоснованию математических моделей оптимизации межремонтных пробегов тепловозов посвящено большое число исследований. Так, в работе [7], посвящённой исследованию надёжности дизельного подвижного состава и в работе [8], связанной с разработкой модели управления жизненным циклом локомотивов с использованием современных методов технического диагностирования, приводится наиболее полный перечень исследований в этой области.

Здесь, все исследователи сходятся в одном, что для тепловозов серии ТЭ10М отличие графика технологического процесса ремонта в объёме ТО2 от типового графика указанного ремонта заключается в следующем:

- не производится проверка надёжности крепления блока дизеля к поддизельной раме и поддизельной рамы к раме тепловоза, так как в практике случаев ослабления фундаментных болтов на ТО2 не наблюдалось;

- замеры провисания коренных шеек нижнего коленчатого вала и зазоров в моторно – осевых подшипниках производится через один ТО2, так как за пробег тепловоза между смежными ТО2 увеличение износа измерительными средствами, применяемыми в депо, не улавливается;

- форсунки дизеля снимаются и испытываются через один ТО2;

- осмотр рам тележек и главной рамы тепловоза производится не слесарями комплексной бригады, а мастером при приёмке тепловоза в ремонт и приемщиком при выпуске тепловоза из ремонта;

- осмотр привода насосов и объединённого регулятора числа оборотов производится через один ТО2;

- не производится осмотр секций холодильника слесарями комплексной бригады, так как наличие течи секций холодильника выявляется в эксплуатации локомотивными бригадами или на текущем ремонте ТР1 слесарями комплексной бригады;

- смена топливных фильтрующих элементов тонкой очистки типа "ФЭТО" производится через пробег 25 тысяч километров в соответствии с инструкцией по эксплуатации этих фильтров;

- проверка РДМ1 и РДМ2 производится переносным испытательным прибором без снятия их с тепловоза;

 - не снимаются крышки люков отсека воздушного ресивера.

До настоящего времени, однако, не уделялось необходимого внимания вопросам разработки научных методов оптимизации объёмов работ, выполняемых на осмотрах при техническом обслуживании и текущих ремонтах тепловозов.

В данной статье авторами рассматривается (предлагается) одна из возможных методик определения оптимальных объёмов ремонтных работ при установленных периодичности и межремонтных пробегах тепловозов.

Результаты исследования и их анализ

При разработке методики определения оптимальных объемов ремонта при известных цикличности ремонтного производства и межремонтных пробегах тепловозов анализировалась следующая схема.

В эксплуатационных условиях, начиная с пробега l = 0, на тепловозах работает n узлов одного типа. Длительность работы этих узлов до отказа характеризуется некоторым известным законом распределения с плотностью . Через заданные постоянные интервалы пробега, равные , производится плановый ремонт узлов, стоимость ремонта одного узла составляет .

Определим суммарные затраты на ремонт узлов за достаточно большой, по сравнению со средней наработкой узла до отказа , пробег L км, включающий в себя S ремонтных циклов.

Из этого интервала пробега рассмотрим пробег от  до  км (), включающий один плановый осмотр и один плановый ремонт. Затраты на плановый ремонт узла в этом интервале пробега составят величину:

                                                                          (1)

where  - вероятность обнаружения неисправности узла на плановом ремонте.

Величина  зависит от закона распределения наработки узла до отказа и вычисляется по такой формуле [9]

                                                 (2)

где  суммирование по всем осмотрам и ремонтам по всем S ремонтным циклам;

 - число узлов, отремонтированных на плановых ремонтах.

Значение  находится из условия .

В работе [1] доказано, что при S = 2 суммарная ошибка вычислений составляет 1,7 процента, что вполне приемлемо для практически расчетов.

В результате случайного характера длительности безотказной работы некоторые узлы будут выходить из строя до планового ремонта. Часть их будет проходить ремонт на плановых осмотрах, другая на внеплановых ремонтах.

Расходы на осмотр и ремонт узла на плановом осмотре, выполняемый через известный пробег  составят

                                                               (3)

где  - стоимость осмотра одного узла;

 - стоимость ремонта одного узда при выполнении планового осмотра;

 - вероятность обнаружения неисправносги узла на плановом осмотре определяется по формуле, аналогичной формуле (2).

Затраты на ремонт узла на внеплановом ремонте составят

                                                                      (4)

где  - стоимость внепланового ремонта одного узла, включая расходы, вызванные нарушением графика движения поездов, а также необходимостью иметь резервный парк тепловозов для замены отказавших

 - вероятность отказа узла в период эксплуатации определяется по формуле, аналогичной формуле (2).

Теперь нетрудно найти эксплуатационные затраты на содержание узла в период пробега от  до .

Если, случайную величину наработки узла до отказа обозначить через l, то при различных условиях возникновения отказа затраты на содержание узла в рассматриваемый период пробега будут равны

,                                                  (5)

  ,

Ввиду того, что отказ узла может возникнуть в любой момент в заданном интервале, либо вообще не возникнуть за пробег (0, L), то полные эксплуатационные расходы на содержание узла определятся как математическое ожидание расходов за рассматриваемый интервал и составят

             (6)

При неизвестном законе распределения наработки узла до отказа  планирование производится на основе минимаксного критерия[9]. Минимаксный критерий (минимакс) — один из критериев принятия решений в условиях неопределённости. Условиями неопределённости считается такая ситуация, когда последствия принимаемых решений неизвестны, и можно лишь приблизительно их оценить.

Для принятия решения используются различные критерии, задача которых - найти наилучшее решение максимизирующее возможную прибыль и минимизирующее возможный убыток, то есть

                                                       (7)

где  – вычисляется по формуле (6), а максимум берется из всех возможных распределений

При известном законе распределения  подсчет  производится один раз по формуле (6).

Для определения целесообразности планового осмотра узла в формуле (6) С_о и P₀ приравниваются к нулю. При этом возрастает величина P_e и, соответственно, расход на выполнение внеплановых ремонтов.

При  =  =0 по формуле (2) производится подсчет . Если соблюдается условие (8), то плановые осмотры узлов производить экономически нецелесообразно. В противном случае целесообразно производить плановые осмотры узлов.

                                               (8)

По всем типам узлов тепловозов производится подсчет по определению целесообразного объема планового осмотра, тогда суммарные затраты на эксплуатационное содержание тепловоза будут равны:

                                         (9)

Нетрудно видеть, что метод определения оптимальных объемов осмотров и ремонтов является по существу методом динамического программирования [10, 11] в основе которого лежат, предложенные авторами данной статьи, функциональные уравнения (7) и (9).

Заключение

Разработанная авторами настоящей статьи методика, по сравнению с существующими эмпирическими методами, имеет следующие преимущества:

- позволяет планировать объемы ремонтов и осмотров для новых тепловозов, у которых неизвестны законы распределения наработки узлов до отказа;

- определение оптимальных объемов ремонтных работ для всех известных распределений наработки узлов до отказа позволяет разрабатывать среднесетевые объемы ремонтных работ для эксплуатируемых тепловозов;

- при известных законах распределения наработки узлов до отказа используется принцип дифференцированного подхода к определению объемов ремонтных работ. Эго позволяет найти оптимальные объёмы ремонтных работ для специфических условий работы тепловозов на каждой железной дороге;

- методика использует не только и не столько характеристики надёжности узлов тепловозов и вероятностно – статистические методы, но и метод динамического программирования;

- использование разработанной методики позволяет определять оптимальные объёмы работ для различных видов ремонтов и осмотров эксплуатируемых тепловозов;

- указанная методика является алгоритмом для составления блок – схем и рабочих программ для компьютерных аппаратно – программных комплексов и ЭВМ.

Список литературы:

1. UNIFE World Rail Market Study // Status quo and outlook 2020. – 3rd ed. – Brussels: UNIFE, 2010. – pp. 23 – 29.
2. Marktvolumen im Neuund Servicegeschaeft sowie Perspektiven der Marktentwicklung bei Infrastruktur und Schienenfahrzeugen // Weltmarkt Bahntechnik, 2009 – 2014. – Koeln: SCI Verkehr GmbH Publ., 2010. – 250 p.
3. Рейншке К., Ушаков И. А. Оценка надежности систем с помощью графов. – М.: Радио и связь, 2008. – 145 с.
4. Семенов А. П., Лакин И. К., Хромов И. Ю. Информационная энтропия систем технической диагностики локомотивов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. – 2020. – № 3. – С. 42 – 53.
5. Липа К. В., Белинский А. А., Пустовой В. Н., Лянгасов С. Л., Лакин И. К., Аболмасов А. А. и другие. Контроль технического состояния и режимов работы локомотивов. Теория и практика. – Москва: Локомотивные технологии, 2015. – 212 с.
6. Семенов А. П., Валинский О. С., Лубягов А. М., Маврин А. Н., Казарин Д. В. Цифровое депо – технологическая основа цифровой трансформации локомотивного комплекса // Железнодорожный транспорт. – 2020. – № 3. – С. 26 – 32.
7. Четвергов В. А. Пузанков А. Д. Надёжность локомотивов. - М.: Маршрут, 2003. - 415 с.
8. Семенов, А. П. Разработка модели управления жизненным циклом локомотивов с использованием современных методов технической диагностики / А. П. Семенов. – Текст: прямой // Известия Транссиба. – 2020. – № 3 (43). – С. 58 – 65.
9. Вентцель, Е. С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения / Е. С. Вентцель, Л. А. Овчаров. – 3-е изд., переработанное. и доп. – М.: Академия, 2003. – 464 с.
10. Беллман Р. Динамическое программирование / Р. Беллман - М.: Иностранная литература, 1960. - 400 с.
11. Беллман Р. Прикладные задачи динамического программирования (перевод с английского Лурье К. А.) / Р. Беллман, С. Дрейфус. - М.: Наука, 1965. - 460 с.