В настоящее время твердость рельсов составляет 400–450 НВ, а твердость бандажей колесных пар ТПС осталась на уровне 275–315 НВ, что предопределяет увеличение износа бандажей и рельсов. При переходе на тип рельсов Р (с Р50) их износ увеличился более чем в два раза, причем лимитирует боковой износ (рисунок 2).

для новых марок рельсов. По предварительРисунок 2 – Ресурс до обточки и смены рельсов ным расчетам это снии бандажей колесных пар электровозов ВЛ11 зит износ гребней копри переходе на рельсы с повышенной твердости (Р65) рельсов до 40 %. Установлено, что при использовании железобетонных шпал увеличивается вероятность повреждения поверхности катания колес, буксовых подшипников ТПС и рельсов.

В результате исследования подтверждено, что геометрические размеры и конструкция экипажной части подвижного состава влияют на интенсивность износа гребней бандажей и рельсов, особенно при установке осей колесных пар в раме тележки ТПС с перекосом и разницы диаметров кругов катания отдельных колесных пар.

Установлено, что основные причины интенсивного износа колесных пар и рельсов в кривых участках пути – уменьшение поперечного разбега колесных пар ТПС (и вагона) в рельсовой колее вследствие уменьшения ее ширины на 10–20 мм в кривых, особенно малого радиуса; увеличение допустимого бокового износа головки рельса в два и более раз в кривых участках в сравнении с колеей шириной 1524 мм; недостаточная величина возвышения наружного рельса в кривых участках, переведенных на ширину колеи 1520 мм; нарушение в эксплуатации норм содержания пути по ширине колеи, уровню и направлению в плане.

При разработке методов повышения ресурса бандажей колесных пар ТПС исследованы проблемы конструкционной прочности. Для этого необходимо, чтобы металл колеса обладал определенным комплексом механических свойств. В настоящее время широко применяется магнито- и газоплазменное упрочнение (ПУ) гребней колесных пар ТПС. Одновременно возникает вопрос оценки уровня качества ПУ.

При участии автора разработаны и внедрены приборы К-61 и Т-71, предназначенные для контроля качества термической обработки деталей из конструкционных сталей, в том числе бандажей колес. Коэрцитивную силу оценивают по величине размагничивающего тока. Прибор Т-71 обладает существенными преимуществами по сравнению с аналогичными приборами-коэрцитиметрами.

Локомотивным депо рекомендовано ввести входной неразрушающий контроль бандажей колесных пар ТПС прибором К-61, сортировать бандажи и формировать колесные пары из бандажей одинаковой твердости (с последующей постановкой таких колесных пар под электровоз). Электровозы с повышенной твердостью бандажей целесообразно эксплуатировать на участках с повышенной интенсивностью износа гребней колесных пар, с меньшей твердостью – на участках с меньшей интенсивностью износа.

В третьей главе на основе системного анализа причин износа и разработанной статистической модели представлены результаты исследования влияния различных факторов на интенсивность износа гребней колесных пар ТПС.

Для определения профиля бандажа колесных пар наилучшего для каждого участка обращения ТПС (обеспечивающего максимальный ресурс) проведен сравнительный анализ их износа в локомотивных депо различных железных дорог. Участки обращения ТПС с определенным профилем выбраны таким образом, чтобы на них обращались электровозы одной серии, приписанные к одному локомотивному депо, с похожими направлениями, условиями плана и профиля пути.

Статистическая информация получена по результатам измерений колесных пар грузовых электровозов ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11, ВЛ11М и ВЛ22М, пассажирских электровозов ЧС2, ЧС2Т и ЧС7. Анализ данных за различные годы эксплуатации позволил сделать вывод: значения параметров законов распределения носят устойчивый характер. Поэтому информационные данные 1987– и 2000–2007 гг. использованы как исходные статистические материалы для исследований.

При исследовании изменения контролируемых геометрических параметров колесных пар рассматривался пробег, отсчет которого производился от момента восстановления (обточка или смена) конфигурации профиля бандажей, и условия эксплуатации ТПС.

Исходя из характера гистограммы и теоретических соображений, выбирается закон распределения, с помощью которого выравнивается данный статистический ряд. Проверяется, согласуются ли экспериментальные данные с гипотезой о том, что случайная величина имеет выбранный закон распределения, заданный плотностью распределения f(y). Вероятность того, что колесная пара при наработке Li находится в неработоспособном состоянии, соответствует заштрихованной площади кривой распределения fi(y) над границей (рисунок 3).

Рисунок 3 – Схема формирования постепенных отказов связей Приращение этой площади за период наработки (Li, Li+1) пропорционально вероятности параметрического отказа колесной пары за этот период, формирование закона распределения равно f(L).

Для гистограммы найдена адекватная математическая модель закона распределения износа. Контролируемые параметры бандажей колесных пар ТПС хорошо описываются нормальным законом. По значениям числовых характеристик контролируемых параметров и закону распределения можно прогнозировать процесс их изменения при больших значениях пробега для определения ресурсов бандажей, для чего определены аналитические зависимости среднего значения My и среднеквадратического отклонения y от пробега L.

Задача прогнозирования заключается в предсказании технического состояния бандажей в некоторый следующий момент времени на основании информации, полученной в текущий момент. Для вычисления прогнозных значений по отдельным реализациям контролируемых параметров бандажей использованы адаптивные модели.

Согласно теоретическим представлениям считается, что кривая изнашивания имеет вид, характеризующийся тремя участками (периодами): участок начального изнашивания или период приработки, нормальный и ускоренного изнашивания. Полученные на практике значения контролируемых параметров представляют только второй участок функции – период нормальной эксплуатации, где зависимость контролируемых параметров от пробега близка к линейной функции. Об этом свидетельствует анализ полей корреляции числовых характеристик контролируемых параметров, полученных для электровозов ВЛ (локомотивное депо Пермь-сортировочная) (рисунок 4).

Рисунок 4 – Зависимость среднего значения пробега электровозов ВЛ11, обточенных тез выяснено, имеет ли регрессий друг от друга только случайный характер. Числовые характеристики законов распределения контролируемых параметров существенно изменяются с увеличением пробега ТПС, бандажи колесных пар которых имеют различные профили поверхности катания.

Результаты исследований подтверждают, что с увеличением пробега L возрастает вероятность отказа Р и, соответственно, уменьшается вероятность безотказной работы = 1 – Р. Для износа гребня вероятность отказа при заданном пробеге равна Если заменять изношенный бандаж при наработке (пробеге) не превышающей 90%-го ресурса (Р = 0,1), то вероятность отказа бандажа в межремонтном периоде не превысит 10 %, а отклонение межремонтного пробега от установленной величины также окажется в пределах 10 %.

Идентификация параметров статистической модели производится по статистическим сведениям об износе гребней колес для дискретных значений пробега во всем диапазоне использования колес.

Значения всех коэффициентов корреляции составляют 0,757–0,999, что свидетельствует о достаточной точности линейной аппроксимации. Этого достаточно для оценки связи контролируемых параметров с величиной пробега L в четырнадцати локомотивных депо Свердловской, Южно-Уральской, Московской и Октябрьской железных дорог. Результаты расчетов по прогнозированию ресурса бандажей показаны на рисунке 5.

Рисунок 5 – Ресурс колесной пары при различном профиле бандажа Для восстановления профиля гребня, имеющего предельный износ, необходимо снимать определенный объем металла по кругу катания колеса. Схема определения технологического износа локомотивного бандажа и подреза гребня с последующим восстановлением полного профиля по ГОСТ 11018– приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Схема определения технологического износа Обозначив угол наклона гребня через, величину проката –, толщину снимаемого металла с поверхности катания и износ гребня через, рассмотрим треугольник АВС: АВ = ВСtg. Это соотношение показывает, что чем больше износ ВС =, тем больше должна быть толщина снимаемого металла, так как величина АВ представляет собой сумму фактического проката и подлежащей снятию стружки, то есть:

Чем меньше толщина снимаемого металла с поверхности катания, тем это соотношение ближе к условию экономичной обточки: = 0, то есть tg =. В эксплуатации бандажи колесных пар имеют различные профили (то есть различные ). Обозначив отношение / через K, можно определить его наилучшее значение для бандажей, обточенных по одному из профилей: «новому» (ГОСТ 11018–2000), МГУПС-МИИТа, где K0 = 0,466, «старому», ДМетИ и ЗинюкаНикитского, где K0 = 0,364.

Таким образом, если в эксплуатации отношение износа гребня к величине проката близко или равно K0, то технологический износ бандажа будет или минимален, или равен нулю.

Отсюда следует, что при выборе того или иного профиля достаточно найти зависимость износа гребня от величины проката, и в случае минимума разности K и тангенса угла наклона полученной зависимости, то есть коэффициента А функции вида = А + В, меньшая стружка снимается с поверхности катания при восстановлении полной конфигурации профиля. Это значит, что условие K – А = min есть условие при выборе наилучшего профиля бандажей для локомотивного парка депо.

Статистическая обработка собранного материала позволила рассчитать зависимость проката от износа гребня. Полученные зависимости для электровозов приписки депо Пермь-сортировочная представлены на рисунке 7.

Рисунок 7 – Зависимость среднего износа гребня от проката бандажей колесных пар электровозов ВЛ11 (локомотивное депо Пермь-сортировочная) Для снижения интенсивности износа гребней колесных пар ТПС и бокового износа рельсов предложено выбирать профиль поверхности катания колес различных ТПС в зависимости от участков и режимов эксплуатации.

Один из результатов исследований – метод применения частичной обточки бандажей, при котором профиль поверхности катания бандажа восстанавливают не полностью, а оставляют некоторый (остаточный) прокат. Именно он обеспечивает наименьший износ и повышает ресурс бандажей.

При остаточном прокате 0,5 мм интенсивность нарастания проката уменьшается и наступает его стабилизация. В этом случае наблюдаются минимальная остаточная деформация, упрочнение поверхности катания бандажа, увеличивается сопротивление материала пластической деформации. При увеличении остаточного проката до 2 мм интенсивность нарастания проката возрастает до 0,492 мм/104 км пробега (ВЛ11) и 0,448 мм/104 км (ВЛ22М). Это объясняется влиянием остаточной деформации, которая ведет к отслаиванию металла с поверхности катания, проскальзыванию колеса по рельсу. По результатам расчетов определяется зависимость ресурса бандажей до смены (для электровозов ВЛ11 и ВЛ22М) от величины остаточного проката (рисунок 8).

Рисунок 8 – Зависимость ресурса бандажей колесных пар Прогнозируемый ресурс до смены бандажей при остаточном прокате 0,5 мм равен 871 тыс. км для электровозов ВЛ22М, 762 тыс. км – для электровозов ВЛ11 при увеличении межремонтного пробега на 31,4 %. При этом количество обточек существенно возрастает с пяти (полностью восстановленный профиль) до семи–восьми (остаточный прокат 0,5 мм) для ВЛ22М и с пяти до шести–семи для электровозов ВЛ11. Поэтому целесообразно изменить технологию обточки бандажей колесных пар с глубиной резания, при которой остаточный прокат 0,5 мм остается не срезанным (полоса шириной до 20 мм) с поверхностной твердостью НВ = 420.

При анализе результатов проведенных исследований установлено, что количественное изменение износа гребней бандажей ТПС (функция отклика) зависит не от одной, а от нескольких причин (факторов). К ним относятся: химический состав, физико-механические свойства материала бандажа, качество его изготовления, климатические и метеорологические условия эксплуатации, состояние экипажной части и пути и зависящие от этого динамические нагрузки, а также многие другие факторы.

Построение уравнений множественной регрессии для анализа износа гребней бандажей колесных пар в зависимости от рассматриваемых контролируемых параметров выполнено по принципу последовательных включений.

При этом износ гребней бандажей колесной пары электровоза рассмотрен как функция пяти аргументов:

– первым аргументом выбран пробег х1, у которого парный коэффициент корреляции rj наибольший, и строится линейное уравнение y f (x1 ) ;

– вторым аргументом является количество возвращенной в контактную сеть электроэнергии х2, которая отличается наибольшим коэффициентом корреляции с функцией отклика y, и находится второе уравнение регрессии – третьей составляющей уравнения множественной регрессии является величина перекоса колесной пары относительно пути х3;

– четвертой составляющей выбрана величина недопустимой разности диаметров бандажей х4;

– пятой составляющей является применение различных профилей поверхности катания колесных пар (величины технологического износа) х5.

Тогда уравнение множественной регрессии примет вид где y – износ гребня бандажа колеса электровоза.

В матричной форме система нормальных уравнений запишется как Для решения системы нормальных уравнений в матричной форме умножим ее слева на матрицу (XTX)–1, обратную матрице системы нормальных уравнений (4) и (5):

где Е – единичная матрица.

Таким образом, решение системы нормальных уравнений в матричной форме запишется следующим виде:

По результатам расчетов построены зависимости износа гребней бандажей колесных пар электровозов от величины пробега и количества возвращенной в контактную сеть электроэнергии при фиксированном значении перекоса колесных пар относительно пути (рисунок 9).

Рисунок 9 – Износ гребней колесных пар в зависимости от основных факторов при величине перекоса в тележке не более 4 мм (период приработки) Результаты вычислений коэффициентов парной корреляции второго типа показывают, что связь просматривается только при вычислении парной зависимости типа y(x1; x2).

Это объясняется тем, что с увеличением межремонтного пробега возрастает и количество возвращенной в контактную сеть электроэнергии. Но по сравнению с первым типом коэффициентов парной корреляции они невелики, что связано с неравномерностью условий ведения поезда (масса состава, профиль пути), от которых зависит применение рекуперативного торможения. Значения величины парных коэффициентов корреляции размеров перекоса с пробегом y(x1; x3) и отдельно с количеством возращенной в контактную сеть электроэнергии y(x2; x3) очень малы. Это объясняется тем, что величина перекоса колесных пар (х3) – величина постоянная и не зависит от пробега (x1) и количества возвращенной в контактную сеть электроэнергии (x2).

Для изучения тесноты связи между функцией отклика y и факторами х1, х2, х3, а также для оценки качества предсказания, определяется коэффициент множественной корреляции R. Чтобы оценить, насколько отличаются вычисленные значения износа от статистических данных, используется относительный показатель изменчивости наблюдаемого признака, называемый коэффициентом вариации. Для периода приработки = 9,8 %, для периода нормальной эксплуатации = 4,8 %, то есть относительный показатель изменчивости наблюдаемого признака не велик.

Для проверки значимости уравнения регрессии в целом с использованием критерия Фишера и качество предсказания определяют, сравнивая S о2 с S y2, который показывает, во сколько раз уравнение регрессии предсказывает результаты опытов лучше, чем среднее y (7):

где n – количество наблюдений; p – число степеней свободы, равное количеству факторов, влияющих на функцию отклика y.

При сравнении полученного значения FR с табличными F10% и F5Т% для электровозов, колеса которых не прошли ПУ, при выбранном уровне значимости и числах степеней свободы v1 = 881 и v2 = 3 (для режима нормальной эксплуатации), v3 = 48 и v4 = 3 (для периода приработки) видно, что расчетное значение FR превышает табличное значение критерия Фишера только при 10%-ном уровне значимости. Поэтому гипотеза о равенстве коэффициента множественной корреляции нулю отвергается и связь считается статически значимой. При 5%-ном уровне значимости гипотеза о равенстве коэффициента множественной корреляции нулю не отвергается, и связь считается статически незначимой.

Для электровозов, колеса которых прошли ПУ, при v1 = 836 и v2 = 3 расчетное значение FR превышает табличное значение критерия Фишера как при 10%-ном, так и при 5%-ном уровнях значимости. Поэтому гипотеза о равенстве коэффициента множественной корреляции нулю отвергается и связь считается статически значимой.

Построенная многомерная математическая модель позволяет оценить влияние различных факторов на величину износа гребней бандажей колесных пар электровозов. Стандартными методами факторного анализа проверена корректность предлагаемой модели (проверка гипотезы по методике дисперсионного анализа, предложенной Фишером).

Прогнозирование ресурса износа гребней бандажей колесных пар ТПС можно произвести путем учета влияния различных величин – пробега, перекоса и количества возвращенной в контактную сеть электроэнергии.

Четвертая глава. В эксплуатации наблюдаются случаи одностороннего смещения плоскости с максимальной величиной проката от круга катания без подреза гребней. Плоскость максимального проката может смещаться в одну сторону из-за возможного поперечного перемещения колесной пары относительно продольной оси пути и наличия на отдельных участках поверхности катания бандажей различной конусности и кривизны в процессе эксплуатации.

Амплитуда поперечного перемещения колесной пары зависит от суммарного зазора между гребнями бандажей и внутренними гранями рельсов, который зависит от ширины колеи S, расстояния между внутренними гранями бандажей t и толщины гребней. Средняя величина суммарного зазора ср. = Sср. – tс – 2ср.= 1521 – 1440 – 58 = 23 мм, то есть практически возможно смещение плоскости максимального проката в среднем на 11,5 мм от круга катания или на 81,5 мм от внутренней грани бандажа. Это означает, при измерении величины износа по кругу катания в действительности определяется меньшее значение проката, максимальное значение которого будет лежать не в плоскости круга катания, а сдвинутой до 11,5 мм в сторону гребня.

Для проверки этих предположений измерены профили рабочей поверхности катания 188 бандажей с прокатом от 0,5 до 6,5 мм. В зависимости от величины проката в шестом сечении результаты замеров в каждом из рассматриваемых сечений объединялись в ту или иную выборку. В отдельную выборку объединяли замеры в определенном сечении, если величина проката по кругу катания лежала в интервале 0,3–0,7 мм, другую выборку – если величина проката составляла от 1,3 до 1,7 мм, следующую – от 2,3 до 2,7 мм и так далее (рисунок 10).

Рисунок 10 – Разбивка на сечения рабочей поверхности профиля для определения максимального износа (фактического круга катания) Зависимости износа от расстояния li определялись с помощью регрессионного анализа. По полученным уравнениям регрессии построены зависимости среднего значения износа в различных плоскостях на поверхности катания от расстояния до внутренней грани бандажа при фиксированных значениях проката (рисунок 11).

Рисунок 11 – Распределение величины износа по ширине бандажа Координату li, определяющую месторасположение плоскости, в которой лежит износ максимальной величины, рассчитываем из уравнения y 0.

Значения li при максимальной величине проката изменяются в пределах от 81,029 до 84,043 мм и составляют в среднем 82,3 мм, поэтому для получения действительного максимального значения проката необходимо движок шаблона И 430-01-00 (10350-52) установить на расстоянии 82 мм (а не 70 мм). Полученные результаты свидетельствуют о правильности вывода: плоскость, в которой лежит максимальный износ, смещена от плоскости круга катания.

Ошибку в измерении проката 0, допускаемую при определении (по утвержденным методикам) величины износа по кругу катания, можно вычислить как отношение максимальной величины износа к величине проката, измеренного в плоскости, лежащей на расстоянии 70 мм от внутренней грани бандажа.

Из построенной зависимости относительной ошибки измерения проката от его величины видно, что при значениях проката до 3,5 мм в плоскости, лежащей по кругу катания, ошибка измерения 0 больше 10 % (рисунок 12).

Рисунок 12 – Ошибка измерения проката в зависимости от его величины Максимальные значения корреляционной функции для всех значений проката находятся у главной диагонали сформированных матриц при значениях t и m, равных 3–5. Максимальные значения корреляционной функции лежат в плоскости, сдвинутой от круга катания на один–два сечения, причем значения износа бандажей сильно коррелированны с износом при l = 50–70 мм. Поэтому, измеряя величину проката на расстоянии 70 мм, мы не можем сказать, какое будет значение износа при l = 82 мм.

Рассматривая износ бандажей в различных сечениях как случайную величину или случайную функцию, мы получаем одинаковый вывод: плоскость, в которой лежит максимальный износ, сдвинута от плоскости круга катания.

Поэтому приборы КИП-01 (02, 03) и ИД-01 (02, 03) (предназначенные для измерения основных геометрических параметров бандажа колесных пар ТПС, характеризующих степень их износа – толщины гребня бандажа; диаметра бандажа по кругу катания; проката с автоматической регистрацией контролируемых параметров), изготовленные по конструкторской документации, разработанной автором, учитывают необходимость смещения по ширине бандажа места измерения плоскости круга катания.

Сигналы, снимаемые с резистивных датчиков, преобразуются восьмиразрядными АЦП с помощью специальных алгоритмов в ответ на запрос центрального процессора передаются по шине данных. Цифровые относительные единицы, получаемые микропроцессором от АЦП, преобразуются в миллиметровые значения данных.

Данная разработка – это часть системы контроля колесных пар, созданной автором в рамках отраслевой комплексной автоматизированной системы управления железнодорожным транспортом. Программа позволяет создавать базу данных электронных паспортов колесных пар индивидуально для каждого ТПС и, в отличие от аналогов, определять не только степень износа, но и прогнозировать изменение геометрических параметров колесных пар в зависимости от наработки, отслеживать динамику износа бандажей. Благодаря программам отображения и просмотра результаты измерения представляются в виде таблиц замеров с привязкой к номеру и типу ТПС с указанием даты и времени измерения; также в графическом виде представлены формы гребня и поверхности катания (в сравнении с эталоном). В информационной базе осуществляется прогнозирование дальнейшего изменения износа колес и формирование протоколов, стратегические прогнозы по всему парку ТПС.

Информация в базу данных поступает по результатам ручных (шаблонных) методов измерений и с автоматизированных систем обмера колес, а также с переносных приборов КИП и ИД, относительная погрешность которых не превышает 2–5 %. Функциональная схема измерителя геометрических параметров колесных пар ТПС представлена на рисунке 13, а алгоритм измерения – на рисунке 14.

Рисунок 13 – Функциональная схема измерителя параметров колесных пар ТПС Разработанные электронные переносные средства контроля состояния поверхности катания колесных пар подвижного состава (рисунки 15 и 16) не только решение проблемы обеспечения безопасности движения, но и оперативная выдача рекомендации об индивидуальных объемах ремонта бандажей каждой единицы ТПС с учетом ее действительного технического состояния.

Рисунок 15 – Прибор для измерения Рисунок 16 – Прибор для измерения Программный комплекс обрабатывает первичную локационную информацию для каждого бандажа колесной пары, поступающую из измерительных блоков приборов, систематизирует информационный поток, вычисляет геометрические параметры бандажей колесных пар на основе анализа априорной информации, формирует файл отчета о результатах вычислений отдельно по каждому бандажу колесной пары, локомотиву или парку ТПС с фиксацией всех параметров, диагностирует собственную аппаратную часть контрольноизмерительных приборов.

Кроме этого, программный комплекс через устройство аварийного предупреждения о выходах контролируемых параметров колесных пар за пределы допуска подает соответствующие сигналы в подсистемы измерения, формирует базу текущих данных обследования колесных пар для последующего использования при обработке и прогнозирования их ресурса В пятой главе приведены результаты анализа интенсивности изнашивания бандажей колесных пар электровозов и тепловозов с применением и без применения бортовых гребнесмазывателей различной конструкции.

Снизить уровень касательных напряжений позволяет применение пластических и твердых смазочных материалов путем нанесения их на боковую поверхность головки рельса (с помощью специального передвижного устройства) или на гребни колес ТПС (с помощью лубрикаторов).

Основной моделью исследования износа колесных пар оказывается двумерная случайная величина (двумерный случайный вектор) (Х, L), где Х – величина износа гребня, а L – величина пробега.

Предложенная модель двумерного распределения задается выражением где Точка с координатами (vX, vL) представляет центр распределения двумерной случайной величины (X, L); X, L, RXL – среднеквадратические отклонения и коэффициент корреляции этих величин. Функция плотности вероятности одномерного распределения может быть изображена в виде кривой на плоскости, при этом по оси абсцисс откладываются значения непрерывно изменяющегося аргумента, а по оси ординат – соответствующие им плотности. Подобным образом можно построить геометрическую интерпретацию двумерной плотности.

Плотности распределения износа гребней бандажей колесных пар до и после применения лубрикации с помощью гребнесмазывателей на тепловозах серии 2ТЭ116 локомотивного депо Егоршино Свердловской железной дороги показаны на рисунке 17. Для других типов и серий ТПС полученные плотности распределения носят аналогичный характер.

а) – без гребнесмазывателей; б) – с гребнесмазывателями Рисунок 17 – Плотность распределения износа гребней колесных пар и пробега тепловозов 2ТЭ116 в локомотивном депо Егоршино Свердловской железной дороги Плотность двумерного нормального закона распределения:

где xнорм. – нормированная величина для случайной величины износа гребня Х;

Lнорм. – нормированная величина для случайной величины пробега L.

Анализ показывает, что плотность нормального распределения сохраняет постоянное значение на эллипсах:

Коэффициент корреляции для рассматриваемых локомотивных депо получен близким к единице, то есть величина износа гребня Х и пробег L имеют между собой прямолинейную связь и эллипсы равных вероятностей идентичны для этих депо.

Сопоставимость полученных выводов об эффективности применения различных систем лубрикации на основании проведенных расчетов, выполненных с использованием моделей одномерного и двумерного распределений, свидетельствует о достоверности полученных результатов.

Разброс результатов эффективности применения гребнесмазывателя объясняется различным уровнем надежности лубрикаторов на ТПС разных локомотивных депо. Поэтому были установлены показатели работоспособности гребнесмазывателя в целом и его отдельных узлов. В период эксплуатации гребнесмазывателя (от ремонта) до 16,6 тыс. км наблюдается большое количество отказов (из-за засорения форсунки, трубопроводов, неисправности насоса).

Суммарное количество таких отказов составляло до 58 % от общего количества отказов гребнесмазывателя.

Под руководством автора изучено влияние лубрикации на тяговые свойства электровоза ВЛ11М на основе проведенных испытаний с динамометрическим вагоном, имеющим специальное оборудование и приборы, которыми производили измерение всех необходимых величин. Опытные участки для обращения электровоза с включенной и выключенной системой гребнесмазывания:

Гороблагодатская – Качканар и Смычка – Свердловск-Сортировочный.

Результаты исследований показывают, что средний удельный расход электроэнергии при применении гребнесмазывателя системы «Тракмастер» на электровозах серии ВЛ11 уменьшился на 16,9 % (с 18,197 до 15,564 кВтч/ ткм брутто), а ресурс бандажей локомотивов ВЛ11, 2ТЭ116 и ТЭМ2 увеличился до 1,3 раза. Применение рельсосмазывателя АРС-Эл позволило увеличить долговечность колесных пар на 13 %.

По методике, разработанной автором, рассчитаны коэффициент сцепления и сила тяги Fк в зависимости от координат пути, радиуса кривой и скорости движения V, построены зависимости (V) и Fк(V) в кривых и прямых участках пути. На основании полученных зависимостей можно сделать вывод: в прямых участках пути коэффициент сцепления остается неизменным независимо от применения системы лубрикации, тогда как в кривых участках пути коэффициент сцепления и, следовательно, максимальная сила тяги снижаются на 8–10 %, в основном, из-за не учитываемых проскальзываний, которые возникают в результате перекоса колесных пар, разности диаметров бандажей колесных пар, конусности и эксцентричности колес, кривизны пути.

Коэффициент сцепления между колесом и рельсом и сила тяги зависят от наличия лубрикаторов, внешних условий и времени года. Летом коэффициент сцепления на прямых участках пути не зависит от применения лубрикаторов (средняя величина составляет 0,272), а в кривых участках пути он снижается с 0,256 до 0,245. Зимой при применении лубрикаторов в прямых участках пути он снижается с 0,211 до 0,203, а в кривых – с 0,244 до 0,228. Средняя сила тяги в летний период времени в прямых участках пути не изменяется и составляет 729,06 кН, а в кривых уменьшается с 691,97 до 664,13 кН. Зимой в прямых участках пути она уменьшилась с 581,14 до 559,89 кН, а в кривых – с 665,77 до 625,19 кН.

Для проверки эффективности работы автоматического рельсосмазывателя (АРС-Эл) системы ВНИИЖТ исследовалась работа колесных пар электровозов ВЛ11 на участках с лубрикацией и без нее. Ресурс бандажей колесных пар электровозов ВЛ11 в локомотивном депо Пермь-сортировочная до обточки увеличился на 13 %. Эффективность использования АРС-Эл подтверждается сокращением износа гребней колесных пар и количеством обточек. Применение рельсосмазывателя положительно сказывается на расходе электроэнергии на тягу поездов, экономия составляет 3,5 %.

Одним из эффективных методов снижения износа является обработка трущихся поверхностей триботехническим составом (ТС) НИОД («нанесение ионного покрытия на детали»). Автором были проведены испытания на стационарной машине трения СМТ-1 (2). Испытывались пары трения: 1 – не обработанная ТС НИОД со смазкой ТАД-17И; 2 – обработанная ТС НИОД со смазкой ТАД-17И; 3 – пара трения, обработанная ТС НИОД без смазки. Контактные напряжения варьировались от минимальной рабочей до запредельной (от 135 до 4500 кгс/мм2). Твердость измеряли твердомером Роквелла, микротвердомером ПМТ-3. Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе.

При проведении испытаний выявлено наличие трех характерных зон максимального и минимального значений температур и моментов трения, указывающих на три стадии процесса: абразивное удаление дефектного поверхностного слоя с образованием ювенильной поверхности; дробление ТС НИОД с образованием свободных ионов, диффундирование их в поверхностный слой деталей и модификация поверхностей; удаление упрочненного слоя и дальнейшая приработка поверхностей. Во всем диапазоне контактных напряжений (от до 2300 и более кгс/мм2) отмечено позитивное влияние ТС НИОД на время приработки пар трения и уменьшения температуры образцов и моментов трения и на изменение микроструктуры поверхностного слоя и триботехнические качества поверхности. Результаты исследований показывают, что такие дефекты как раковины и сколы устраняются полностью.

Проведенные автором стендовые испытания и экспериментальные исследования позволили определить наиболее эффективные конструкторскотехнологические решения нанесения ТС НИОД на гребни бандажей позволили эксплуатировать электровозы до следующей обточки колесных пар без необходимости пополнения состава. Обработка гребней колесных пар ТС НИОД позволила увеличить ресурс бандажей до 1,4 раза (пассажирские электровозы ЧС и ЧС7), и незначительно (2–16 %) грузовых электровозов (ВЛ10 приписки депо Курган и Челябинск Южно-Уральской железной дороги, ВЛ11 приписки Свердловск-сортировочный, Смычка, Пермь-сортировочная и Ишим Свердловской железной дороги), что объясняется наличием гребневых тормозных колодок. ТС НИОД не успевает диффундировать в структуру металла на достаточную глубину, образовавшееся при обработке керамическое покрытие разрушается при торможении.

Установлена закономерность: чем толще бандаж (более высокое значение твердости), тем эффективнее обработка гребней ТС НИОД (рисунок 18); интенсивность бокового износа рельсов снизилась на 44–61 %. Увеличение интенсивности вертикального износа за указанный период на 20–47 % свидетельствует об изменении зоны контакта колесной пары с рельсом.

Рисунок 18 – Ресурс бандажей колесных пар до обточки оси пути и рамы тележки. Под перекосом колесной пары понимают отклонение оси колесной пары от предполагаемой линии перпендикулярной к рельсу.

При выполнении работы использовались несколько способов замера перекоса колесных пар в тележке. В настоящем исследовании представлены статистические данные износа бандажей от пробега в зависимости от величины перекоса колесных пар в тележках ТПС, полученные с помощью разработанных автором технических устройств. Ресурс бандажей колесных пар до обточки от величины их перекоса в различных локомотивных депо Свердловской железной дороги показан на рисунке 19.

90%-ый ресурс, тыс. км до обточки в зависимости от величины их перекоса технические решения, позволяющие с высокой точностью определять необходимые параметры.

Эксперименты, анализ конструкции и изучение чертежей тележек показали, что причиной повышенного износа гребней на электровозах серии ВЛ11 и ВЛ11М может быть различная величина деформации резиновых втулок валиков буксовых поводков тележек.

При реализации силы тяги и торможения нарушаются межцентровые расстояния в тележке, то есть статическая установка колесных пар в рамах тележек не соответствует их динамической установке.

По результатам замеров, произведенных на рамах тележек электровозов, ясно, что перекос колесных пар заложен уже при сборке на заводе-изготовителе – не выдерживаются размеры и допуски при сборке рамы.

Колесные пары в тележке могут устанавливаться с односторонним перекосом, тогда правая или левая боковина рамы смещается вперед при движении в одну сторону. При изменении направления движения изменяется и перекос рамы тележки. К такому положению тележки в эксплуатации могут привести различные диаметры по кругу катания после их обточки и различная конусность профиля бандажа.

Важные параметры обеспечения максимального использования ресурса бандажа колесной пары – его диаметр и разница диаметров.

Среди рассматриваемых контролируемых параметров, наилучшим образом отражающих зависимость изнашивания бандажей от разности диаметров методом множественного корреляционного анализа, выбрана разность диаметров (y), которая может быть представлена как функция двух аргументов: x1 – прокат бандажей; x2 – изменение толщины гребня. Их реализации будут соответственно: x1i, x2i, yi (i = 1, 2,..., n), если n – объем выборки. Если случайная величина Y для любой фиксированной пары значений (x1; x2) распределяется по нормальному закону, то ее можно описать математическим ожиданием и дисперсией: Y = а + b1х1 + b2х2.

Расчет уравнений регрессии контролируемых параметров выполнен по принципу последовательных включений по методике, разработанной автором, представленной в диссертации. Для оценки предельно допустимой разницы в диаметрах бандажей yдоп. = Dдоп. определяют параметры х1 и х2, значение которого раньше достигает предельно допустимой величины, и для этого параметра находят значение другого, используя при этом полученные уравнения регрессии. Подставив полученные величины х1 и х2 в уравнения вида y = f(x1; x2), можно получить значения предельно допустимой разности диаметров бандажей одной колесной пары во время эксплуатации. Значения Dдоп., различные для электровозов серий ЧС2, ЧС2Т, ЧС7, ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11 в разных локомотивных депо, объясняются конструкцией механической части электровоза, различными условиями эксплуатации.

Построение эмпирических регрессий в виде полей корреляций для каждой из групп мероприятий по снижению износа показали, что рассматриваемые эмпирические зависимости при фиксированной разности в диаметрах бандажей могут быть аппроксимированы линейными функциями вида yi = аiL + b (yi – значение уменьшения толщины гребня при фиксированном значении D, b – начальное значение износа гребня для каждого D). Значения угловых коэффициентов аi определяют интенсивность износа гребней.

В первом приближении функцию интенсивности износа гребня можно представить в виде двух линейных отрезков, каждый из которых соответствует одному из двух характерных периодов – периоду нормальной эксплуатации и периоду интенсивного износа гребней:

Целевой функцией аппроксимации экспериментальных точек будет выражение:

При этом аппроксимация интенсивности износа гребня сводится к кусочнолинейной аппроксимации эмпирической функции а(D), заданной n точками с координатами (Di; аi). Целевая функция примет вид Целевая функция зависит от четырех параметров: А1, А2, В1, D1, однако, учитывая, что D1 совпадает с граничным значением линейных отрезков функции а(D), область его применения ограничена набором D1, D2,..., Dn, поэтому для понижения порядка системы неизвестных величин целесообразно зафиксировать значение D1 и определить локальный минимум целевой функции Z, затем повторить решение при другом значении D1, выбрав то, которое обеспечивает наименьшее значение (глобальный минимум) целевой функции Z.

При фиксированном значении D1 минимизируется функция остальных трех аргументов Z(А1, А2, В1). При решении этой задачи был использован метод «скорейшего спуска» для нахождения минимума функций нескольких переменных численного решения уравнений. Вычисления сводятся к построению последовательной группы чисел А1,K, А2,K, В1,K, где K = 2, 3,... и так далее, исходя из групп А1,1, А2,1, В1,1, представляющих собой произвольную совокупность чисел по возможности близкую к какому-либо из решений уравнения (14).

Группа чисел А1,K, А2,K, В1,K представляет собой значения известных коэффициентов.

Зависимость интенсивности износа гребня от разности диаметров бандажей колесной пары электровоза ВЛ10 в виде функции интенсивности износа гребня а(D) показана на рисунке 20.

гребня от разности диаметров бандажей колесных простоя ТПС. Эксплуапар электровоза серии ВЛ10 тационные затраты:

где Е1i – расходы, связанные с сокращением срока службы бандажей в связи со снятием некоторого слоя металла при обточках; Е2i – расходы на обточку бандажей (рабочую силу, режущий инструмент, электроэнергию, амортизацию станка); Е3i – расходы, связанные с простоем электровоза из-за обточки бандажей колесной пары.

Эксплуатационные затраты Е1i, Е2i и Е3i были определены для каждой серии ТПС во всех рассматриваемых депо в зависимости от наработки (пробега) до обточки, который изменяли от 50 до 400 тыс. км с градацией 10 тыс. км. При увеличении наработки от момента полного восстановления конфигурации профиля (обточки) составляющая Е1i увеличивается во время периода приработки бандажа и увеличения проката. В это время интенсивность нарастания проката опережает уменьшение толщины гребня. При дальнейшем увеличении пробега L увеличивается разность диаметров бандажей колесной пары, что ведет к интенсивному износу гребней и увеличению толщины снимаемого металла хТ при обточке. Увеличение хТ ведет к дальнейшему росту величины Е1i. Таким образом, начало резкого увеличения расходов Е1i соответствует периоду износа бандажа, когда начинает лимитировать износ гребня.

Расходы на обточку бандажей колесной пары, расходы, связанные с простоем ТПС, и количество обточек снижаются при увеличении пробега L и, соответственно, уменьшаются: необходимое время на простой локомотива на обточку; расходы на электроэнергию и техническое обслуживание; текущий и капитальный ремонты станков по обточке колесных пар. Таким образом, функция Е(L) имеет минимум в точке, соответствующей минимуму затрат на обточку, расходу толщины бандажа, простою ТПС.

Значения расходов Е(L) были аппроксимированы параболической функцией:

Аналитические зависимости расходов на ремонт бандажей от пробега до обточки колесной пары для электровозов ВЛ8, ВЛ10 и ВЛ11 представлены на рисунке 21. Для других типов и серий ТПС полученные зависимости носят аналогичный характер.

бандажей от пробега до обточки колесной пары для щих дисперсий удельных расходов Dq на ремонт бандажей колесных пар. Это свидетельствует об адекватности выбранных аналитических зависимостей и подтверждает достаточно тесную связь расходов Е с пробегом L. Для определения пробега до обточки, которому соответствует минимум удельных суммарных затрат на ремонт колесной пары, решают уравнение Е(L)=0. Значение Lотп.

подставляют в уравнения вида Y(Х1; Х2) и определяют значения Yдоп. = Dдоп.

При использовании различных методов расчета (последовательных включений, кусочно-линейной аппроксимации и с учетом затрат на ремонт) можно утверждать, что различные значения Dдоп. (от 0,5 до 3,6 мм) для соответствующих депо и серий ТПС являются допустимыми значениями разности в диаметрах бандажей колесной пары в эксплуатации, так как при величине большей, чем Dдоп., интенсивность износа гребня будет резко возрастать.

Устройство для измерения диаметров бандажей колесных пар по кругу катания без выкатки из-под ТПС, разработанное автором, защищено авторским свидетельством (а.с. № 1717936, МКИ G 01 В 5/08).

Принцип работы устройства, заключается в измерении диаметра бандажа DБ путем замера расстояния, которое выражается по рисунку 22:

где dP – диаметр ролика (движка) устройства; S – толщина скоса линейки.

для измерения диаметра бандажей троэнергии), кВт·ч: от 0 до 50; от 50 до 100; от 100 до 200; от 200 до 500. Для каждой группы установлены интервалы в зависимости от пробега (от 0 до 10, от 10 до 20, от 20 до 30 тыс. км и так далее). Изменение ресурса бандажей колесных пар до обточки при различных значениях величины возвращенной в контактную сеть электроэнергии представлено на рисунке 23.

Рисунок 23 – Ресурс бандажей колесных пар до обточки от степени использования рекуперативного торможения в локомотивных депо Увеличение количества возвращенной в контактную сеть электроэнергии приводит к росту интенсивности износа гребней колес и уменьшению межремонтных пробегов электровозов. Из анализа результатов опытных поездок на участке Свердловск-Сортировочный – Шаля установлено, что при электрическом торможении с токами рекуперации свыше 450 А тормозные усилия концентрируются в головной части поезда; колесные пары занимают перекосное положение в колее. Последнее ведет к повышенному трению гребней колесных пар о боковые поверхности рельсов, повышенному угону пути и его расшивке, росту бокового износа рельсов, подрезу бандажей колесных пар. Увеличение массы и длины поездов резко ухудшает рассмотренную ситуацию.

Колесным парам присущи как параметрические, так и непараметрические отказы.

В седьмой главе рассмотрен один из факторов повышения надежности колесных пар ТПС в эксплуатации – качество посадки бандажа на колесном центре. Применяемый в настоящее время субъективный способ оценки, основанный на сравнении обработанной поверхности с эталонами шероховатости (ГОСТ 2789–98), не обеспечивает надлежащего качества контроля. Более достоверные результаты дает предлагаемый способ определения шероховатости посадочных поверхностей с применением прибора, разработанного автором.

С целью оценки точности определения шероховатости (класса чистоты), соответствия требованиям на изготовление колесных пар и инструкции ЦТ/ (ЦТ/4351) с использованием предлагаемого прибора путем сравнения с эталонами производился контроль шероховатости посадочных поверхностей «бандаж–колесный центр» 207-ми колесных пар при соблюдении допустимой величины овальности (не более 0,5 мм), конусности (не более 0,2 мм) и величины натяга перед насадкой бандажа на обод колесного центра. За каждым бандажом велись наблюдения в эксплуатации и фиксировались случаи ослабления и пробег L от ремонта до проворота или ослабления бандажа на колесном центре.

После отказа бандажей наблюдения прекращались. Класс чистоты обработки каждого из 414 бандажей перед насадкой на колесный центр определяли с помощью двух способов: существующего (сравнение обработанной поверхности с эталоном) и с помощью предлагаемого автором прибора. Если результаты оценки шероховатости двумя способами совпадали (соответствовали 5-му классу чистоты), то бандажи относили к группе А. В этой группе, состоящей из NA = 108 бандажей, наблюдения проводились до пробега lA = 460103 км. За этот период вышел из строя nA = 21 бандаж, 7 из них были с ослаблениями, а 14 – с проворотом.

Если по оценке существующим способом шероховатость поверхности соответствовала 5-му классу чистоты, а оценка предлагаемым способом не подтверждала его и показывала, что шероховатость соответствует 3-му или 4-му классу чистоты, то такие бандажи были объединены в группу Б, NБ = 306 бандажей. Наблюдения за бандажами из этой группы проводили до пробега lБ = 380103 км. За этот период отказали nБ = 68 бандажей (с ослаблением – 12, с проворотом – 56). Класс чистоты обработки посадочных поверхностей колесных центров соответствовал требованиям инструкции ЦТ/329. Анализ отказов колесных пар из-за проворота бандажей показывает, что с увеличением наработки интенсивность отказов возрастает по мере уменьшения их толщины, при этом интенсивность зависит от состояния обработки и фактического определения качества сопрягаемых поверхностей (рисунок 24).

Рисунок 24 – Интенсивности отказов (ослаблений и проворотов) бандажей колесных пар двух групп исследования Это подтверждает необходимость контроля качества обрабатываемых посадочных поверхностей и доказывает преимущество использования прибора контроля, разработанного автором.

Из диаграмм интенсивности отказов двух групп бандажей видно, что А(l) бандажей, обработка которых соответствует 5-му классу чистоты, лежит в области больших пробегов, чем Б(l) бандажей с 3-м или 4-м классом чистоты обработки поверхностей.

Вероятность безотказной работы бандажей колесных пар будет определяться соотношением где P1(l) – вероятность того, что при наработке l не возникнет постепенного отказа бандажа, P1(l) = 1 – F1(l); P2(l) – вероятность того, что до наработки l не произойдет внезапный отказ бандажа.

Параметрическая функция распределения F1(l) рассчитана по модели накапливающихся повреждений, параметры которой являются исходными для модели отказов с релаксацией.

Функция распределения наработки на отказ F2(l) найдена по модели отказов с релаксацией решением системы уравнений состояний, характеризующих марковский процесс. Анализ и проверка соответствия эмпирических функций распределения различным теоретическим законам осуществлялось по критерию Колмогорова–Смирнова. В результате установлено, что наработка бандажей колесных пар до ослабления и (или) проворота хорошо описывается экспоненциальным законом распределения. Суммарная функция распределения наработки на отказ бандажа F(l) = 1 – P(l) (рисунок 25).

Рисунок 25 – Функции распределения наработок на отказ бандажей групп А и Б По эмпирическим функциям суммарный параметр потока отказов бандажей колесных пар определяется решением интегрального уравнения Вольтера II рода:

где f(l) – функция плотности распределения наработки на отказ вычисленная по эмпирической функции распределения численным дифференцированием.

Решение интегрального уравнения (19) осуществлялось численным методом в виде следующей рекуррентной последовательности:

...............................................................

где h – шаг интегрирования, принятый равным 1 тыс. км.

Точность численного решения оценена сопоставлением результатов решения интегрального уравнения (19) численным (20) и аналитическими методами для нормального закона распределения наработки на отказ. Совпадение результатов расчета, полученных двумя методами при одних и тех же исходных данных, свидетельствует о достаточной точности численного решения.

Определение затрат на смену бандажей является важным при решении задачи оптимизации межремонтных пробегов. Затраты на плановый ремонт СП включают в себя затраты на материалы С1, оплату труда С2 и потери от простоя локомотива С3. Затраты на неплановый ремонт СН, помимо указанных величин С1, С2, С3, включают потери С4, вызванные отказом ТПС в пути следования, которые определяются: СН = С1 + С2 + С3 + С4. Тогда СН СП, причем СН = СП только для тех элементов, отказы которых не вызывают задержек локомотивов в пути следования.

Используя относительные величины СН и СП можно определить пробег между плановыми ремонтами L0, которому соответствует минимальное значение средних суммарных удельных затрат q(L0), то есть наилучший пробег до смены бандажей колесных пар. Обозначим отношение затрат на неплановые и плановые ремонты через K (K 1).

Выразив СН через K и СП, получаем:

По физическому смыслу величина, стоящая в числителе, является суммарными затратами на проведение неплановых и плановых ремонтов, поэтому выражение в скобках представляет собой суммарное приведенное число ремонL тов, то есть величина K ( ) d приводит суммарное число неплановых реL ( ) d к эквивалентному по стоимости числу плановых ремонтов.

монтов В качестве целевой функции при определении наилучшего пробега L до смены бандажей групп А и Б выбраны суммарные удельные затраты на проведение плановых и неплановых ремонтов:

Так как СП является величиной постоянной в одних и тех же условиях, то экстремумы функций q(L) и S(L) будут соответствовать одному и тому же значению L0. Зависимость от наработки суммарного удельного приведенного числа ремонтов бандажей колесных пар двух групп при различных соотношениях затрат на выполнение плановых и неплановых ремонтов (K = 1, 2, 3) приведена на рисунке 26.

Рисунок 26 – Диаграммы определения пробега до смены бандажей При K = 1 затраты минимальны, при этом пробег до смены бандажей колесных пар группы А – 661 тыс. км, а группы Б – 559 тыс. км. Увеличение K приводит к существенному уменьшению L0. Так, при K = 3 бандажи колесных пар группы А имеют L0А = 638 тыс. км, а группы Б – L0Б = 537 тыс. км.

Вывод: наилучший пробег до смены бандажей группы Б составляет тыс. км, а для группы А – 661 тыс. км, тогда как пробег до замены бандажа по предельному износу составляет 683 тыс. км.

В восьмой главе рассмотрены вопросы внедрения и экономической эффективности результатов научного исследования по повышению ресурса бандажей колесных пар ТПС.

Результаты исследования и практические предложения внедрены в локомотивных депо Свердловской, Московской, Южно-Уральской, Куйбышевской, Горьковской, Дальневосточной, Октябрьской, Забайкальской, Северной и Приволжской железных дорог РФ. Устройство для контроля диаметров бандажей и их разности внедрено в 21 локомотивном депо, прибор для оценки шероховатости посадочных поверхностей «бандаж–обод» успешно используется в трех колесных цехах, приборы КИП и ИД с программным продуктом АРМ «Депо»

проходят опытную эксплуатацию в пяти депо, а приборы К-61 и Т-71 внедряются на заводах и депо российских железных дорог.

Выполнен расчет экономический эффективности внедрения приборов и технических устройств контроля параметров колесных пар ТПС, методов и технических решений по повышению ресурса бандажей ТПС. Экономический эффект обеспечивается за счет использования разных типов профилей конфигурации поверхностей катания колесных пар различных серий локомотивов для определенных участков и условий их эксплуатации, устранения перекоса колесных пар в раме тележки, поддержания в эксплуатации допустимой разности диаметров, измененного способа контроля шероховатости посадочных поверхностей «бандаж–обод».

Ресурс бандажей колесных пар ТПС от комплексного применения предложенных автором методов можно определить:

где Lисх.(i) – значение ресурса бандажа до внедрения i-го метода; Li – значение ресурса после внедрения i-го метода; kэф. – коэффициент, учитывающий неравномерность эффективности методов, направленных на повышение долговечности бандажей колесных пар при одновременном воздействии, kэф. = 0,9.

В результате комплексного применения приведенных методов ресурс бандажа до смены составит 1038,66 тыс. км. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения предложенных технических решений по повышению ресурса бандажей колесных пар ТПС составит более 40 тыс. руб. на один локомотив (в ценах на 1.01.2010 г.); ресурс бандажей колесных пар возрастет до 1 млн км. Чистый дисконтированный доход при дисконте 0,25 (ставка ЦБ РФ – 25 %) и рисковом коэффициенте 0,08 составит 23,833 тыс. руб./лок. при сроке окупаемости 0,23 года. Чистый дисконтированный доход от внедрения одного прибора КИП с АРМ «Депо» или АРМ ТПЗ за пять лет составит 418,9 тыс. руб. при сроке окупаемости 0,62 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

2. Разработана математическая модель, на основе которой проанализировано влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на интенсивность изнашивания гребней бандажей колесных пар применительно к конкретным условиям эксплуатации ТПС.

3. Предложены обоснованные критерии разных типов профиля бандажей колесных пар в зависимости от серии локомотива и условий его эксплуатации.

Это позволило увеличить долговечность бандажей колесных пар ТПС в 16 локомотивных депо железных дорог России до 46,1 %.

4. Установлено в результате проведенных стендовых испытаний и экспериментальных исследований:

– оборудование ТПС системой гребнесмазывания «Тракмастер» позволяет повысить ресурс бандажей до 1,3 раза, применение рельсосмазывателя АРС-Эл – на 13 %, а обработка ТС НИОД гребней колесных пар пассажирских электровозов – до 1,4 раза;

– обработка гребней бандажей грузовых электровозов не эффективна из-за наличия гребневых тормозных колодок. ТС НИОД не успевает диффундировать в структуру металла на достаточную глубину, образовавшееся при обработке керамическое покрытие разрушается при торможении.

5. Изучено воздействие лубрикации на тяговые свойства электровоза на основе проведенных испытаний с использованием динамометрического вагона на опытных участках. Установлено, что работа системы гребнесмазывания «Тракмастер» не влияет на тормозной путь состава, коэффициент сцепления и максимальная сила тяги остаются неизменными в прямых участках пути, в кривых – уменьшаются на 8–10 %.

6. Проведены исследования по результатам корреляционного и регрессионного анализов распределения износа по ширине бандажа. Установлено, что максимальное его значение лежит не по кругу катания, а сдвинуто на 10–15 мм в направлении от гребня, что требует корректировки положения плоскости измерения геометрических параметров бандажей колесных пар ТПС.

7. Научно обоснованы нормы допустимого значения перекоса колесных пар относительно рамы тележки различных серий ТПС (от 1,0 до 2,3 мм). Разработана методика и созданы технические устройства для определения перекоса колесных пар в тележке ТПС.

8. Разработаны методы определения разности диаметров бандажей (последовательных включений, кусочно-линейной аппроксимации и с учетом затрат на ремонт), использование которых позволили определить их нормативные значения для колесных пар электровозов ЧС2, ЧС2Т, ЧС7, ВЛ8, ВЛ10 и ВЛ (от 0,5 до 3,6 мм). Соблюдение установленных нормативных значений разности диаметров бандажей одной колесной пары для соответствующих депо и серий локомотивов позволяет повысить ресурс бандажей колесных пар ТПС до 69 %.

9. Исследовано влияние качества посадки бандажа на колесном центре.

Разработана методика оценки влияния шероховатости посадочных поверхностей на эксплуатационную надежность сочленения «бандаж–обод» и наработку до смены бандажей, на 19 % увеличен ресурс колесных пар.

10. Установлено значение остаточного проката (0,5 мм), которое при увеличении количества обточек с 5 до 7 увеличивает ресурс дo смены бандажей более чем на 30 %.

11. Разработаны способ измерения геометрических параметров колесных пар и программное обеспечение, позволяющих контролировать и прогнозировать сроки обточки и смены бандажей, осуществлять паспортизацию технических параметров ТПС, оценивать эффективность принятых технических решений.

Конструктивно проработаны и внедряются в локомотивных депо приборы и технические устройства, обеспечивающие решение задачи повышения долговечности колесных пар ТПС. Опыт эксплуатации приборов и устройств показал, что они удовлетворяют требованиям по достоверности контроля и могут быть рекомендованы к массовому применению на железных дорогах России.

Устройство для контроля диаметров бандажей и их разности внедрено в 21 локомотивном депо, прибор для оценки шероховатости посадочных поверхностей «бандаж–обод» успешно используется в трех колесных цехах, приборы К-61 и Т-71 внедряются на заводах и депо железных дорог.

Созданы и внедряются на сети железных дорог электронные приборы КИП и ИД с программным продуктом АРМ «Депо» (АРМ ТПЗ), чистый дисконтированный доход от внедрения которых за 5 лет составит 418,9 тыс. руб.

при сроке окупаемости 0,62 года.

12. Результаты исследования и практические предложения внедрены в:

– локомотивных депо Свердловской, Московской, Южно-Уральской, Куйбышевской, Горьковской, Дальневосточной, Октябрьской, Забайкальской, Северной и Приволжской железных дорог России;

– учебном процессе УрГУПС.

13. Выполнена оценка экономической эффективности внедрения предлагаемых решений по повышению ресурса бандажей колесных пар тягового подвижного состава. Реализация предложенных автором технических решений позволяет увеличить ресурс колесных пар тягового подвижного состава в среднем на 35–40 % при годовом экономическом эффекте более 40 тыс. руб. на один локомотив (в ценах на 01.01.2010 г.).

14. В результате комплексного применения приведенных методов ресурс бандажа до смены составит 1038,66 тыс. км. Таким образом, реализуя предложенные автором методы, есть возможность выполнить требование Стратегии развития железнодорожного транспорта России до 2030 г. и уже в настоящее время повысить ресурс бандажей колесных пар до 1 млн. км.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

Во включенных в перечень установленных ВАК Минобрнауки России ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Буйносов А. П. Использование гребнесмазывателей системы «Тракмастер» для уменьшения износа гребней колесных пар локомотивов [Текст] // Транспорт: наука, техника, управление. – 2006. – № 11. – C. 44–46. – ISSN 0236–1914.

2. Буйносов А. П. Определение допустимой разности диаметров бандажей колесных пар тягового подвижного состава [Текст] // Транспорт Урала. – 2009. – № 4 (23). – С. 53–54. – ISSN 1815–9400.

3. Буйносов А. П. Влияние упрочнения на ресурс бандажей колесных пар [Текст] / А. П. Буйносов, Д. Л. Худояров // Транспорт Урала. – 2010. – № 1 (24).

– С. 63–68. – ISSN 1815–9400.

4. Буйносов А. П. Автоматизированный контроль параметров колесных пар тягового подвижного состава [Текст] // Железнодорожный транспорт. – 2010. – № 7. – С. 52–53. – ISSN 0044–4448.

5. Буйносов А. П. Выбор оптимального остаточного проката бандажей колесных пар электровозов ВЛ11 [Текст] // Транспорт Урала. – 2010. – № 2 (25).

– С. 45–47. – ISSN 1815–9400.

6. Буйносов А. П. Анализ влияния разности диаметров колесных пар по кругу катания на экономическую реализацию их ресурса [Текст] / А. П. Буйносов, А. А. Воробьев // Транспорт Урала. – 2010. – № 2 (25). – С. 48–52. – ISSN 1815–9400.

7. Буйносов А. П. Методика контроля шероховатости посадочных поверхностей, обеспечивающая надежность соединения «бандаж–обод» колесных пар тягового подвижного состава [Текст] // Вестник транспорта Поволжья. – 2010. – № 2 (22). – С. 5–14. – ISВN 1997–0722.

8. Буйносов А. П. Методика оценки влияния разности диаметров бандажей колесных пар на их износ [Текст] / А. П. Буйносов, А. А. Воробьев // Вестник ВНИИЖТ. – 2010. – № 4. – С. 38–43. – ISВN 0869–8163.

9. Буйносов А. П. Еще раз об износе колеса и рельса [Текст] // Путь и путевое хозяйство. – 2010. – № 9. – С. 23–26. – ISSN 0033–4715.

10. Буйносов А. П. Повышение ресурса бандажей колесных пар электровозов ВЛ11 [Текст] / А. П. Буйносов, Д. Л. Худояров // Железнодорожный транспорт. – 2010. – № 9. – С. 51–52. – ISSN 0044–4448.

11. Буйносов А. П. Определение допустимой разности диаметров бандажей колесных пар тягового подвижного состава методом последовательных включений [Текст] // Вестник транспорта Поволжья. – 2010. – № 3 (23). – С. 54–63. – ISВN 1997–0722.

12. Буйносов А. П. Прибор для контроля рельсов [Текст] / А. П. Буйносов, Н. А. Михайлова, О. М. Михайлова // Путь и путевое хозяйство. – 2010. – № 10.

– С. 13–15. – ISSN 0033–4715.

13. Буйносов А. П. Разработка и аппаратная реализация прибора для измерения геометрических параметров бандажей колесных пар [Текст] // Транспорт Урала. – 2010. – № 3 (26). – С. 64–68. – ISSN 1815–9400.

14. Буйносов А. П. Оценка эффективности снижения износа бандажей колесных пар электровозов, обточенных по различным профилям [Текст] // Транспорт: наука, техника, управление. – 2010. – № 12. – C. 40–42. – ISSN 0236–1914.

15. Буйносов А. П. Автоматическая система мониторинга состояния бандажей колесных пар тягового подвижного состава [Текст] / В. Л. Балдин, А. П. Буйносов // Вестник ВЭлНИИ. – Новочеркасск, 2010. – № 2(60). – С. 113– 125. – ISSN 1816–1928.

16. Буйносов А. П. Определение допустимой разности диаметров бандажей колесной пары электровозов [Текст] // Вестник РГУПС. – 2010. – № 4. – С. 25–34. – ISSN 0201–727X.

17. Буйносов А. П. Модель эксплуатационного износа сложных систем железнодорожного транспорта [Текст] // Вестник транспорта Поволжья. – 2010.

– № 4(24). – С. 21–25. – ISSN 1997–0722.

18. Буйносов А. П. Влияние применения триботехнического состава НИОД на ресурс колесных пар электроподвижного состава [Текст] / А. П. Буйносов, К. А. Стаценко, В. А. Тихонов // Вестник транспорта Поволжья. – 2011. – № 1(25). – С. 30–35. – ISSN 1997–0722.

19. Буйносов А. П. Влияние лубрикации на тяговые свойства электровоза ВЛ11 [Текст] // Вестник РГУПС. – 2011. – № 1. – С. 39–42. – ISSN 0201–727X.

20. Буйносов А. П. Выбор профиля поверхности катания бандажей колесных пар промышленных тепловозов [Текст] / А. П. Буйносов, Д. Л. Худояров, И. М. Пышный // Транспорт Урала. – 2011. – № 1. – С. 44–47. – ISSN 1815– 9400.

21. Буйносов А. П. Математическая модель повышения ресурса бандажей колесных пар электровозов [Текст] / А. П. Буйносов, Д. Л. Худояров, В. Л. Балдин // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2011. – № 4. – С. 43–48. – ISSN 1684–2561.

22. Буйносов А. П. Основные причины интенсивного износа бандажей колесных пар подвижного состава и методы их устранения [Текст] / Научное издание. – Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2009. – 224 с. – ISВN 978–5–94614– 148–2.

23. Буйносов А. П. Методы повышения ресурса колесных пар тягового подвижного состава [Текст]: Монография. – М.: ГОУ «УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте», 2010. – 244 с. – ISВN 978–5–9994–0038–3.

Другие публикации:

24. Буйносов А. П. Устройство для измерения диаметра бандажа колеса локомотива [Текст] / А. В. Горский, А. П. Буйносов. А.С. № 1717936, СССР, МКИ G 01 В 5/08, Опубл. в Б.И. – 1992. – № 9. – 2 с.

25. Буйносов А. П. Срок службы бандажей продлить можно [Текст] / Н. Ф. Медведев, А. П. Буйносов // ЭТТ: Электрическая и тепловозная тяга. – 1989. – № 6. – С. 38. – ISSN 0869–8147.

26. Буйносов А. П. Влияние шероховатости посадочных поверхностей на надежность сочленения «бандаж-обод» [Текст] / И. П. Исаев, А. В. Горский, А. А. Воробьев, А. П. Буйносов // Вестник ВНИИЖТ. – 1991. – № 1. – С. 27–29.

– ISSN 0869–8163.

27. Буйносов А. П. Использование ресурса бандажей колесных пар электровозов [Текст] / А. В. Горский, А. П. Буйносов, М. А. Волков // Железнодорожный транспорт. – 1991. – № 1. – С. 34–35. – ISSN 0044–4448.

28. Буйносов А.П. Анализ износа бандажей [Текст] / А. В. Горский, А. П.

Буйносов // Железнодорожный транспорт. – 1991. – № 1. – С. 46–47. – ISSN 0044–4448.

29. Буйносов А. П. Повышение ресурса бандажей колесных пар электровозов в результате изменения технологии обточки [Текст] // Автоматизация и современные технологии. – 1992. – № 2. – С. 23–25. – ISSN 0869–4931.

30. Буйносов А. П. Об износе бандажей электровозов ЧС2 и ЧС7 [Текст] / А. П. Буйносов, В. С. Клинский // Железнодорожный транспорт. – 1992. – № 5. – С. 45–46. – ISSN 0044–4448.

31. Буйносов А. П. Система ремонта локомотивов на конкретных участках обращения [Текст] / А. Т. Головатый, И. П. Исаев, А. В. Горский, А. П. Буйносов // Железнодорожный транспорт. – 1992. – № 7. – С. 40–44. – ISSN 0044–4448.

32. Буйносов А. П. Как влияет шероховатость на повышение ресурса бандажей колесных пар [Текст] // Сб. науч. тр. ВЭлНИИ. – 1993. – С. 12–17. – ISSN 1816–1928.

33. Буйносов А. П. Износ бандажей и рельсов: причины и возможности сокращения [Текст] // Железнодорожный транспорт. – 1994. – № 10. – С. 39–41.

– ISSN 0044–4448.

34. Буйносов А. П. Обеспечение эффективного смазывания бандажей локомотивов [Текст] / А. П. Буйносов, С. А. Дибров // Железнодорожный транспорт. – 1994. – № 11. – С. 60–61. – ISSN 0044–4448.

35. Буйносов А. П. Влияние твердости колеса и рельса на их износ [Текст] // Локомотив. – 1995. – № 3. – С. 31–32. – ISSN 0869–8147.

36. Буйносов А. П. Важный фактор уменьшения износа колес и рельсов [Текст] / А. П. Буйносов, С. А. Дибров // Железнодорожный транспорт. – 1995. – № 6. – С. 39. – ISSN 0044–4448.

37. Буйносов А. П. Снизить интенсивность износа гребней [Текст] // Локомотив. – 1995. – № 6. – С. 31–32. – ISSN 0869–8147.

38. Буйносов А. П. Бесконтактные измерения бандажей колесных пар [Текст] / А. П. Буйносов, В. С. Наговицын, А. А. Калмыков, В. И. Елфимов // Железнодорожный транспорт. – 1995. – № 11. – С. 34–36. – ISSN 0044–4448.

39. Буйносов А. П. Новый гребнесмазыватель на основе графитосодержащего материала [Текст] / А. П. Буйносов, В. С. Наговицын // Железнодорожный транспорт. – 1996. – № 2. – С. 39–41. – ISSN 0044–4448.

40. Буйносов А. П. Повышение надежности бандажей [Текст] // Железнодорожный транспорт. – 1996. – № 12. – С. 23–24. – ISSN 0044–4448.

41. Буйносов А. П. Эффект лубрикации [Текст] / А. П. Буйносов, М. Н. Трофимов, И. С. Цихалевский // Железнодорожный транспорт. – 1998. – № 5. – С. 41–44. – ISSN 0044–4448.

42. Буйносов А. П. Оценка качества термической обработки (твердости и структуры) металла неразрушающим методом магнитного контроля [Текст] / А. П. Буйносов, В. С. Наговицын, М. Н. Трофимов // Вестник Академии транспорта Российской Федерации. Уральское межрегиональное отделение. – Курган. – 1998. – С. 132–133.

43. Буйносов А. П. Повышение надежности бандажей [Текст] // Железнодорожный транспорт. – 1998. – № 12. – С. 23–24. – ISSN 0044–4448.

44. Буйносов А. П. Взаимодействие колеса и рельса [Текст] // Путь и путевое хозяйство. – 1999. – № 5. – С. 22–25. – ISSN 0033–4715.

45. Буйносов А. П. Оценка применяемых материалов бандажей колесных пар и рельсов [Текст] // Тяжелое машиностроение. – 2000. – № 11. – С. 16–20. – ISSN 0131–1336.

46. Буйносов А. П. Влияние разности диаметров колесных пар на их износ с учетом средств технической диагностики [Текст] / А. П. Буйносов, К. А.

Стаценко // Ресурсосберегающие технологии на ж.д. транспорте: Сб. научн. тр.

– ЧИПС, 2002. – С. 24–33.

47. Буйносов А. П. Определение натяга пары «бандаж–обод» с помощью ультразвуковых импульсов [Текст] // А. П. Буйносов, К. А. Стаценко, Н. И. Сергеев / Транспорт Урала. – 2004. – № 3 (3). – С. 31–37. – ISSN 1815–9400.

48. Буйносов А. П. Анализ процессов эксплуатационного износа гребней бандажей колесных пар электровозов [Текст] / А. П. Буйносов, К. А. Стаценко, Н. Г. Фетисова // Электрическая тяга: Сб. науч. тр. – Екатеринбург: УрГУПС, 2008. – Вып. 68(151). – С. 10–19.

49. Буйносов А. П. Влияние разности диаметров бандажей на их износ колесных пар тягового подвижного состава [Текст] // Вестник УрГУПС. – 2010.

– № 3(7). – С. 62–73. – ISВN 2079–0392.

50. Буйносов А. П. Прибор для измерения параметров бандажей колесных пар тягового подвижного состава [Текст] // Тяжелое машиностроение. – 2011. – № 3. – С. 17–19. – ISSN 0131–1336.

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ

РЕСУРСА БАНДАЖЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР

ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА