Файл: Основы технического.pdf

97
ности (уведомление об отцепке вагона ф. ВУ-23, книга нумерного учета ис- правных вагонов ф. ВУ-31, уведомление о выпуске вагона из ремонта ф.
ВУ-36) содержится подробная информация о вагоне и причинах отцепки. На- работку определяют по времени эксплуатации вагонов и учетным данным о годовом пробеге вагонных разных типов.
Классификация отказов вагонов приведена в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Классификация отказов вагонов
Группы отказов
Виды отказов
1. По месту зарождения 1.1.Конструкци- онные
1.2.Производ- ственные
1.3.Эксплуатаци- онные
2. По сроку службы ва- гона и его основных уз- лов
2.1.Приработоч- ные
2.2. Случайные 2.3.
Износовые и усталостные
3. По продолжительно- сти развития
3.1. Внезапные 3.2.
Постепенные
4. По связи между отка- зами
4.1. Независимые
4.2. Зависимые
5. По последствиям 5.1.
Текущий без- отцепочный ре- монт
5.2. Текущий от- цепочный ре- монт
5.3. Нарушения безопасности движения
Под конструкционными понимают отказы, связанные с конструктив- ными недостатками вагона или несоответствием применяемых материалов эксплуатационным требованиям. Например, деревянная обшивка полуваго- нов служила причиной большого количества их отказов из-за неисправностей обшивки, вследствие чего проведена модернизация – замена деревянной об- шивки на металлическую. Под производственными понимают отказы, яв- ляющиеся следствием нарушений технологии изготовления и ремонта. На- пример, нарушение режимов сварочных работ является причиной трещин в сварных соединениях.
Эксплуатационными считают отказы, причинами которых являются эксплуатационные воздействия, преимущественно – ударные нагрузки в ре- зультате нарушений правил погрузки, выгрузки и маневровых работ.
Приработочные отказы после перехода на роликовые подшипники в целом для вагона, выражены нечетко и представляют в основном результаты нарушения технологии ремонта.
Случайные отказы имеют место в основном в период нормальной экс- плуатации вагона, т.е. после приработки элементов и до наступления влияния износовых и усталостных явлений. Причиной этих отказов являются, глав- ным образом, нарушения правил эксплуатации.

98
Отказы, причиной которых являются износы и усталость металла, ха- рактерны для деталей с большим сроком службы, а также возможны из-за нарушений технологических режимов в процессе ремонта или неправильной сборки. Внезапными считают отказы, развивающиеся в течение короткого периода, например, при ударе. Независимыми называют такие отказы дета- лей, которые не приводят к отказу вагона в целом или других деталей вагона.
При наступлении отказа деталь или сборочная единица вагона перехо- дит в неработоспособное или предельное состояние. В большинстве случаев в результате отказа детали или узла вагон переходит в неработоспособное состояние (не может следовать в составе поезда, не может быть подан под погрузку).
Восстановление надежности возможно в процессе текущего безотце- почного ремонта за время технического обслуживания или с отцепкой в те- кущий отцепочный ремонт.
В случае больших повреждений кузова при нарушениях безопасности движения для восстановления надежности может потребоваться деповской или капитальный ремонт.
Для практических целей выбирают и используют небольшое количест- во показателей трех видов:
- единичные, т.е. характеризующие одно из свойств надежности;
- комплексные, характеризующие не менее двух свойств;
- обобщающие технико-экономические, характеризующие сравнитель- ную эффективность вагонов.
В качестве единичных показателей безотказности используют следую- щие:
- вероятность безотказной работы, т.е. вероятность, что в пределах за- данной наработки отказ не возникает;
- наработка на отказ (средняя наработка на отказ) – отношение нара- ботки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа отка- зов в течение наработки;
- параметр потока отказов – отношение среднего числа отказов восста- навливаемого объекта за произвольно малую наработку к значению наработ- ки;
- интенсивность отказов – условная плотность вероятности отказа не- восстанавливаемого объекта.
Вероятность безотказной работы определяется в предположении, что в начальный момент времени исчисления конкретной заданной наработки объ- ект был работоспособен. Согласно ГОСТ 27.002 [2] вероятность безотказной работы
Р (t
0
) в интервале от 0 до
t
0
определяется по формуле
Р (t
0
) = 1 – F
(t
0
) ,
(5.1) где F
(t
0
) – функция распределения наработки до отказа.

99
Этот показатель удобно использовать для определения показателей на- дежности вагонов на гарантийных участках. За единицу наработки принима- ют вагоно-километры, которые можно пересчитать в вагоно-часы.
Можно использовать также показатель «вероятность отказа», т.е. веро- ятность того, что вагон откажет хотя бы один раз в течение заданной нара- ботки. Вероятность отказа
Q(t
0
)
в интервале от 0 до
t
0
определяется из вы- ражения
Q(t
0
) = F
(t
0
) = 1 - Р
(t
0
) .
(5.2)
Вероятность безотказной работы может быть определена для состава поезда за наработку поезда в поездо-километрах.
В практике численную оценку Р
(t
0
) определяют из выражения [15]
0 0
0
)
(
)
(
€
N
t
n
N
t
Р
−
=
,
(5.3) где
N
0
– число наблюдаемых вагонов в начале испытания;
n(t)
– число вагонов, отказавших за время
t
Средняя наработка на отказ
l(t)
– отношение наработки восстанавли- ваемого объекта (вагона и его частей) к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.
[ ]
)
(
)
(
)
(
t
r
М
t
L
t
l
=
,
(5.4) где
L(t)
– наработка вагона за период
t
(пробег в вагоно-километрах);
М –
символ математического ожидания;
r(t)
– число отказов за время
t
Параметр потока отказов используют для оценки безотказности вос- станавливаемых объектов. Для таких объектов характерен поток отказов на оси непрерывного времени. Для характеристики потока используют ведущую функцию Ω(t) потока – математическое ожидание числа отказов за время
t.
Ω(t) =
[ ]
)
(t
r
М
, где
М
– символ математического ожидания;
r(t)
– число отказов за время
t.
Параметр потока отказов
ω(t)
характеризует среднее число отказов, ожидаемое в малом интервале времени
(
Δ
t
→ 0
).

100
[ ]
[
]
t
t
r
M
t
t
r
M
t
t
Δ
−
Δ
+
=
→
Δ
)
(
)
(
lim
)
(
0
ω
(5.5)
В практике широко используют показатель безотказности – среднее количество отказов, приходящееся на единицу наработки
)
(
)
(
)
(
t
L
t
n
t
=
ω
,
(5.6) где
n(t)
– количество отказов вагона за период
t;
L(t)
– наработка вагона в календарный период
t в вагоно-километрах или вагоно-часах.
Для сравнительной оценки состояния безопасности движения в вагон- ном хозяйстве используется показатель: количество нарушений безопасно- сти, отнесенное к общему пробегу вагонов (в миллиардах вагоно-км).
В этом случае величина показателя является обратной величиной сред- ней наработки на отказ.
Интенсивность отказов определяют из выражения
)
(
)
(
)
(
t
P
t
f
t
=
λ
,
(5.7) где
)
(t
f
– плотность распределения наработки на отказ;
)
(t
P
– вероятность безотказной работы за период
t
Методика определения
)
(t
λ
для практических приложений приведена ниже.
В качестве показателей долговечности в основном используют сле- дующие показатели:
- средний срок службы объекта – математическое ожидание срока службы;
- гамма-процентный ресурс – наработка, в течение которой объект не достигает предельного состояния с вероятностью
γ
%.
Техническим ресурсом считают наработку изделия от начала до пере- хода в предельное (невосстанавливаемое) состояние.
Средний срок службы вагона определяется по формуле
[
]
∫
∫
∞
∞
∞
∫ −
=
=
=
0 0
0
)
(
1
)
(
)
(
dT
T
F
T
ТdF
dT
T
Тf
Т
,
(5.8) где
Т
– средний срок службы;

101
F(Т)
– функция распределения срока службы;
f(Т)
– плотность распределения срока службы.
В практике средний срок службы вагона или его узла
Т
обычно опре- деляется как среднее арифметическое для достаточно большого количества объектов
N
Т
Т
N
i
∑
=
1
, где
N
– наблюдаемое число объектов;
Т
i
– срок службы
i
–го объекта из общего количества
N
Ошибка может быть оценена по методу расчета ошибки от замены ве- роятности частостью.
Расчетный средний срок службы сравнивают с назначенным сроком службы в процессе оценки надежности вагона и его частей.
Гамма-процентный ресурс используют для оценки надежности некото- рых изделий, замена которых производится после выработки определенного ресурса, независимо от технического состояния. К числу таких изделий в ва- гонном хозяйстве развитых стран относят осевые подшипники качения. По- нятие «гамма-процентный ресурс» означает наработку, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью
γ
, вы- раженной в процентах. Например, для вагонных осевых подшипников каче- ния для грузовых вагонов предполагалось установить наработку 1, 2 миллио- на вагоно-километров общего пробега, в течение которой 90% подшипников не достигнет предельного состояния (не произойдет отказа).
Этот показатель определяют из уравнения [2]
100 0
)
(
1
)
(
1
γ
γ
γ
=
−
=
−
∫
t
dt
t
f
t
F
,
(5.9) где
t
γ
– гамма - процентный ресурс;
f(t)
– плотность распределения ресурса.
Используемые показатели ремонтопригодности:
- вероятность восстановления работоспособного состояния – вероят- ность, что время восстановления не превысит заданного;
- среднее время восстановления работоспособного состояния.
Недостатком используемых показателей ремонтопригодности приме- нительно к вагонам является то, что эти показатели никогда не определялись при проектировании вагонов. Не учтена возможность механизации работ по техническому обслуживанию. Например, часто выполняемая в процессе ТОВ

102
операция – смена тормозной колодки – выполняется вручную, примитивны- ми инструментами (молоток, ломик) в крайне неудобном для работы месте.
Для возможности механизации этой операции необходимо изменение конст- рукции тележки и способы крепления колодки.
Численные показатели, характеризующие работу вагона, т.е. безотказ- ность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость связаны с числен- ными характеристиками состояний: работоспособного и неработоспособного
(включая предельное восстанавливаемое).
Схема связи состояний (см. рис. 2.7) и свойств надежности вагона по времени за срок службы вагона приведена на рис. 5.1 и в табл. 5.2.
Рис. 5.1. Схема связи состояний и свойств вагона
Суммарное время:
Σ
t
p
– работы;
Σ
t
Т
– перерывов на ТО,
Σ
t
n
– перерывов на плановый ремонт,
Σ
t
х
– хранения и транспортировки;
Σ
t
0
– восстановления работоспособного состояния после отказов;
S
i
– состояние вагона (см. рис. 2.7)

103
Таблица 5.2
Связь свойств надежности и состояний вагона за срок службы
Свойство
Показатели свойств (обозна- чения на рис. 5.1) или время, учитываемое в расчете пока- зателей
Конечное состояние
Долговечность
Срок службы -
Т
сл
Предельное, невосстанав- ливаемое
Непрерывное время работы -
t
pi
Работоспособное или не- работоспособное
Наработка до отказа (перво- го) –
Т
01
Неработоспособное (пре- дельное восстанавливае- мое)
Безотказность
Наработка между отказами –
Т
0
i
Неработоспособное (пре- дельное восстанавливае- мое)
Перерывы в работе для тех- нического обслуживания –
t
Т
i
Работоспособное или не- работоспособное
Перерывы для планового ремонта –
t
ni
Работоспособное
Ремонтопригодность
Время восстановления рабо- тоспособного состояния –
t
оi
Работоспособное
Сохраняемость
Время хранения (нахожде- ния вагона в резерве) или транспортировки –
t
хi
Работоспособное
Количество случаев
t
оi
,
t
Т
i
,
t
ni
и их продолжительность, а также нара- ботка вагона
Σ
t
р
являются исходными данными для расчета вероятности со- стояний, интенсивности перехода (см. рис. 2.7) и для расчета показателей на- дежности.
Для оценки эксплуатационной надежности вагонов и их узлов (т.е. в процессе их эксплуатации) обычно выбирают 2 – 4 показателя, чаще всего наработку на отказ и параметр потока отказов.
Для оценки надежности вагонов используют следующие комплексные показатели [2].
Коэффициент готовности – вероятность, что вагон откажется работо- способным в произвольный момент времени
В
о
о
Г
Т
Т
Т
К
+
=
,
(5.10)

104
где
Т
о
– наработка на отказ;
Т
В
– среднее время восстановления;
Коэффициент технического использования – отношение математиче- ского ожидания времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к этому периоду, включающему простой для технического обслуживания и ремонта
∑
∑
∑
+
=
Т
Тi
Т
pi
Т
pi
Т
t
t
t
К
1 1
1
, (5.11) где
Т
– период эксплуатации;
∑
Т
pi
t
1
– период нахождения в работоспособном состоянии между ремонтами и техническим обслуживанием за период
Т
;
∑
Т
Тi
t
1
– продолжительность технического обслуживания и ремонта за период
Т
В качестве технико-экономического показателя эффективности исполь- зования вагона можно принять средние затраты на изготовление, ремонт и обслуживание вагона, отнесенные к его полезной работе в т-км нетто за срок службы
∑
∑
∑
+
+
+
=
Рl
TC
C
C
С
С
n
m
Т
di
ki
Н
о
1 1
,
(5.12) где
С
н
– стоимость изготовления;
ki
C
,
di
C
– расходы на
i
-й капитальный и
j
-й деповской ремонты соответственно;
n , m – количество капитальных и деповских ремонтов за период
Т
соответственно;
С
Т
– годовая стоимость технического обслуживания;
Т
– срок службы;
∑
Рl
– суммарная работа вагона за срок службы в тонно-км нетто.
Анализ, выполненный по полувагонам, показал, что расходы в среднем за срок службы полувагона, превышают начальную стоимость вагона. В со-

105
временных условиях также непрерывно возрастает стоимость планового ре- монта за счет использования средств неразрушающего контроля, ужесточе- ния норм при выпуске вагонов из ремонта, работ по модернизации тележек грузовых вагонов и т.д. Поэтому в перспективе нуждается в пересмотре кон- цепция оценки соответствия конструкции вагонов и системы их технического обслуживания и ремонта условиям эксплуатации.
Некоторую часть задач по оценке надежности вагонов приходиться решать инженерам служб вагонного хозяйства, вагонных отделов отделений дорог и вагонных депо. К ним относятся задачи, связанные с обеспечением безопасности движения в случае существенного изменения условий эксплуа- тации вагонов: увеличения массы поездов и осевой нагрузки; изменения дли- ны гарантийных участков и участков безостановочного движения поездов; изменения технологии технического обслуживания и ремонта вагонов.
Главной задачей технического обслуживания вагонов на ПТО является обеспечение высокой вероятности безотказного следования вагонов по га- рантийному участку. На рис. 5.2 приведена схема гарантийных участков для двух соседних ПТО. Длина участка
l
г
км.
Рис. 5.2. Схема гарантийных участков ПТО.
Расчетные показатели: ПТО1 (в нечетном направлении)
Р
1
– вероят- ность безотказной работы вагонов;
ω
1
– параметр потока отказов;
1
t
– средняя наработка на отказ; тоже ПТО2 (в четном направлении)
Р
2
,
ω
1
,
2
t
– соответственно
Наработка каждого вагона, проследовавшего через участок -
l
Г
вагоно- км или
t
Г
– вагоно-часы

106
у
Г
Г
V
l
t
=
, вагоно-ч , где
V
у
– участковая скорость, км/ч.
Каждый пункт обеспечивает в заданном направлении (нечетном или четном) какую-то вероятность безотказной работы вагонов
Р
1
и
Р
2
, параметр потока отказов вагонов
ω
1
,
ω
2
и наработку вагона на отказ
1
t
,
2
t
. Эти показа- тели сравнительно легко могут быть рассчитаны по данным учета о наработ- ке вагонов и количестве отказов вагонов на участке в каждом направлении.
Более сложным является определение перечисленных показателей как функ- ции наработки. В этом случае необходимо знать распределение случайной величины – наработки на отказ. Математические методы оценки показателей надежности с использованием распределения наработки на отказ приведены в следующем разделе.
5.2.
Математические методы оценки показателей надежности
Известно, что срок службы сложных технических изделий, в том числе вагона, включает три периода: приработки -
Т
1
, нормальной эксплуатации -
Т
2
и влияния износов и усталостных явлений в металле
–
Т
3
. В период
Т
2
интенсивность или параметр потока отказов является постоянной величиной, так как преобладают случайные отказы (рис. 5.3). Для вагонов период
Т
1
по- сле перевода на осевые роликовые подшипники, выражен нечетко.
Период износовых и усталостных отказов для вагона также выражен нечетко вследствие следующих причин:
– срок службы кузова вагона больше, чем остальных частей вагона;
– узлы и детали вагона, кроме кузова и рамы тележек, обезличены и перемешиваются в процессе ремонта.
Поэтому более правильно считать показатели надежности за длитель- ный срок службы отдельно для узлов и деталей. В то же время за короткие периоды работы (см.рис. 5.1) необходимо определять показатели надежности в целом для вагона. В обоих случаях, в целом для вагона, для его узлов и де- талей единицей наработки остаются вагоно-ч, или вагоно-км.