Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Підвищення надійності тягових передач електропоїздів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Вступ. Сучасний стан міського та приміського рухомого складу потребує вирішення комплексу наукових та практичних задач його відновлення, утримання та ремонту. Напружена економічна ситуація в Україні не дозволяє в повній мірі поповнювати парк електропоїздів. Це викликає необхідність подовження строку експлуатації і вимагає розробку науково-обґрунтованих рекомендацій, що повинні забезпечити на належному рівні їх надійність.

Актуальність теми дисертації зумовлена необхідністю вирішення наукової задачі підвищення надійності тягових передач електропоїздів. Електропоїзд (як магістральний, так і метрополітену) є особливим видом транспорту для пасажирських перевезень і його нормальна робота багато в чому залежить від технічного стану вузлів екіпажної частини. Тому наукова задача пошуку та обґрунтування зменшення зносу та його контролю має актуальне значення. Крім того, постановою Кабінету Міністрів України №769 від 2.06.98 р. затверджена Державна програма розвитку рухомого складу соціального призначення, яка передбачає комплекс науково-дослідних і конструкторських розробок, включаючи розробку і впровадження нових технологій обслуговування та ремонту електропоздів. Це також потребує доопрацювання статистичних та інструментальних методів контролю стану тягових передач електропоїздів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана на кафедрі «Міський електричний транспорт» Харківської національної академії міського господарства в період 1998-2004 рр. відповідно до планів науково-дослідних робіт академії, що проводяться згідно з Державними і галузевими програмами та висвітлені в звітах: «Дослідження і розробка технічних пропозицій по підвищенню якості тяги та гальмування вагонів метрополітену» (№ГР0199U006494, 1998 р., 123 с.); «Розробка положення про порядок експлуатації міського транспорту з важкими умовами руху» (№ГР0102U009213, 2001 р., 146 с.); «Підвищення працездатності тягових електродвигунів вагонів метрополітену» (№ГР0203U001404, 2002 р., 151 с.).

Мета і завдання дослідження.

Метою роботи є покращення технічного стану електропоїздів на підставі вирішення наукової задачі підвищення надійності їх тягових передач.

Виходячи з цього в дисертації поставлені слідуючи задачі:

- провести аналіз зносової рівноміцності вузлів і деталей тягових передач;

- формалізувати задачу визначення ресурсу тягових передач по зносостійкості та з урахуванням зносової рівноміцності;

- визначити залежність зносу робочої поверхні зубчастих коліс від терміну їх служби;

- науково обґрунтувати можливість прогнозування ресурсу тягових передач без розборки методами технічної діагностики;

- отримати експлуатаційні параметри роботи електропоїздів за допомогою автоматизованої системи збирання і обробки інформації (АСЗОІ);

- доопрацювати технології контролю стану деталей тягових передач щодо їх об'єктивності за рахунок впровадження сучасних методів і приладів вібродіагностики;

- доробити методи інструментального контролю та вібродіагностування тягових передач за допомогою ПЕОМ.

Об'єкт дослідження - є процес зносу деталей тягових передач електропоїздів.

Предметом дослідження є узагальнення закономірностей зміни ресурсу тягових передач електропоїздів при експлуатації з різними технологіями їх ремонту.

Методи дослідження. Вирішення наукової задачі виконано на основі системного підходу, який включає технічну діагностику, теорію відновлення, теорію ймовірностей, математичну статистику і методи чисельного експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вирішена наукова задача підвищення надійності тягових передач електропоїздів, яка полягає у слідуючому:

- виконана оцінка надійності тягових передач з визначенням факторів, впливаючих на зносову рівноміцність робочої поверхні зубчастих коліс за весь життєвий цикл;

- запропонована комплексна модель визначення і прогнозування зносу тягових передач у різних періодах експлуатації з урахуванням їх зносової рівноміцності;

- отримані нові залежності зносу тягових передач від пробігу між ремонтами, які дают змогу прогнозувати термін їх роботи на подальший період;

- запропоновані моделі оцінки ресурсу тягових передач за даними вібродіагностики;

- дістали подальший розвиток методи вібродіагностування елементів тягових передач на сучасній апаратній основі з використанням ПЕОМ;

- за допомогою АСЗОІ отримані експлуатаційні параметри, що дозволяють оцінювати розбіжність характеристик електропоїздів отремонтованих за різними технологіями.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Поставлена у дисертації задача підвищення надійності тягових передач електропоїздів вирішувалась з допомогою нових підходів щодо одержання аналітичними і експериментальними методами інформації про технічний стан лімітуючих вузлів. Обгрунтованість наукових положень базується на викладках, які поєднують отримані теоретичні результати з експериментальними дослідженнями та адекватністю висновків. Усі висновки досить повно розкривають суть питання, шляхи його вирішення, отримані результати та їх адекватність між теоретичними і експериментальними даними.

Наукове значення роботи полягає в можливості використання розробленої комплексної моделі визначення ресурсу тягових передач електропоїздів, методів оцінки ефективності контролю та діагностування для інших лімітуючих надійність вузлів та деталей рухомого складу залізниць України.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення роботи полягає в наступному:

- запропонована комплексна методика досліджень зносової рівноміцності деталей тягових передач електропоїздів, яка дозволяє прогнозувати їх остаточний ресурс;

- результати досліджень стали підставою для коректування технології ремонту екіпажної частини магістральних електропоїздів та електропоїздів Харківського метрополітену;

- розроблені та впроваджені технології інструментальних методів контролю і вібродіагностування, які дают змогу отримувати достовірну інформацію про технічний стан тягових передач електропоїздів.

Особистий внесок здобувача.

Всі положення і результати, що виносяться на захист, отримані автором самостійно. У трьох публікаціях у співавторстві автору належать:

- в статті [1] визначені фактори, впливаючі на зносову рівноміцність робочої поверхні зубчастих коліс тягових передач;

- в статті [3] виконана формалізація прогнозування ресурсу тягових передач по зносостійкості;

- в статті [4] запропоновані моделі оцінки доцільності впровадження технологій відновлення тягових передач.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертаційної роботи докладалися та обговорені на:

- науково-технічних конференціях кафедр Харківської національної академії міського господарства та спеціалістів залізничного і міського транспорту (з міжнародною участю), Харків 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003 роки.

Повністю дисертаційна робота докладалась на розширеному засіданні кафедри «Міський електротранспорт» УкрНАМГ, з участю членів спеціалізованої вченої ради Д64.820.04 (2004 р.).

Публікації. На тему дисертації опубліковано 8 статей. З них у виданнях, затверджені ВАК України як фахові - 5 (дві з них без співавторів).

Структура роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг роботи містить 181 сторінку, з них обсяг основного тексту 125 сторінок; додатків, списку використаних джерел, рисунків та таблиць на 56 сторінках. Робота ілюстрована 29 рисунками, наведено 11 таблиць. Список використаних джерел складається з 123 найменувань.

Основний зміст роботи

тяговий передача електропоїзд

У вступі обґрунтована необхідність проведення досліджень з підвищення надійності тягових передач електропоїздів. Доводяться актуальність, зв'язок роботи з науковими програмами, мета і задачі, методи дослідження, наукова новизна і значення роботи, обґрунтованість і достовірність, практичне значення, особистий внесок здобувача, апробація результатів і публікації, структурно-логічна схема дисертації.

Розділ 1 присвячений аналізу зноса тягових передач електропоїздів. Він містить матеріали зносотійкості зубчастих коліс, інформаційне і методичне забезпечення оцінки експлуатаційної ефективності існучих технологій при технічному обслуговуванні та поточному ремонті тягового рухомого складу (ТРС).

Дослідження по удосконаленню системи технічного обслуговування та поточного ремонту ТРС проводяться в країнах СНД під керівництвом відомих вчених: О.Б. Бабаніна, В.А.Бєляєва, Б.Є. Боднаря, А.А. Босова, О.І. Володіна, О.Л. Голубенка, А.В. Горського, А.В. Грищенко, В.М. Кашнікова, В.І. Кисельова, Є.Є. Коссова, Т.Ф. Кузнєцова, О.Б. Подшивалова, Т.В. Ставрова, В.І. Сенька, В.В. Стрекопитова, Е.Д. Тартаковського, В.О. Четвергова

Для подовження ресурсу тягових передач запропоновано використовувати технології обробки спеціальним складом. В основі їх лежить можливість триботехнических сполук РВС технологій (модифікаторів поверхні тертя) за певними умовами дифундувати в глибину поверхневого шару металів. Використання цієї технології для тягових передач за даними проспектів може дати:

- утворювати на робочій поверхні захисні металокерамічні покриття, що мають унікальні властивості (низький коефіцієнт тертя, високі фізіко-хімічні характеристики, низький коефіціент теплопровідності, високу антикорозійну стійкість);

- відновлювати робочу поверхню шляхом нарощування металокерамічного покриття до початкових розмірів;

- виправляти дефекти поверхонь і порушень геометрії поверхонь деталей пар тертя.

Це викликає додаткову необхідність вдосконалення технології контролю та діагностування тягових передач електропоїздів.

У розділі 2 запропонована комплексна модель оцінки ресурсу тягових передач електропоїздів на різних стадіях життєвого циклу.

Запропонована комплексна модель визначення зміни величин зносу , швидкості V і прискорення W в функції часу роботи t у періоди припрацювання (I), нормальної експлуатації (II), інтенсивного зносу (III) та періоду подовження строку служби (IV), геометрична інтерпретація якої представлена на рис. 1.

Формалізацію оцінки зноса в період I запропоновано проводити виходячи із залежності

.

У цьому виразі k коефіцієнт, що ураховує фізико-технічні властивості контакту, - безрозмірний комплекс, що характеризує напружений стан контакту і площу фактичного дотику тіл; комплекс, що ураховує товщину змащувального шару та шорсткість робочих поверхонь зубів, комплекс, який характеризує властивість та адсорбційну природу масляного шару; - комплекс, що характеризує в'язкісні властивості масла. Коефіцієнт k та покажчики ступеню визначються шляхом спеціальних експериментів у лабораторних умовах.

Для формалізації періоду (II) роботи тягових передач запропоновано (якщо умови роботи досить стабільні і швидкість зношування можна вважати постійною) термін служби визначати як

,

де _max - допустима величина зносу; - середня швидкість зношування. Цю залежність можна застосувати коли зноси досягають значення _max. Якщо прийняти тривалість міжремонтного періоду Т_p, то за цей час знос збільшиться на величину () і деталі тягової передачі необхідно замінити, якщо її знос лежить у межах _max (_max-).

Значення допустимого зносу, починаючи з якого тягову передачу при поточних ремонтах необхідно ремонтувати визначиться як _доп =_max-.

Дійсний термін служби Т_d тягових передач для періоду нормальної експлуатації запропоновано визначати слідуючим чином

.

На підставі обробки статистичного матеріалу отримані аналітичні залежності верхнього V_в.d. і нижнього V_н.d. інтервалів зносу для періоду (II)

, ,

тобто залежність носить експоненціальний характер, а - лінійний.

Для періоду (III) інтенсивного зносу прогнозування ресурсу прийнята аналітична залежність прирощування , тобто

,

де - середній знос робочої поверхні зубчастих коліс; h - коефіцієнт зсування кривої відповідно початку координат; А - коефіцієнт довговічності, який визначає форму прогнозуючої кривої. В нашій задачі - це експонента.

Для прогнозування періоду продовження строку служби (IV) покладено, що на знос робочої поверхні тягових передач значний вплив здійснює фактор зносової рівноміцності. Тому з урахуванням нижнього Т_Н.d. і верхнього Т_В.d. значення розвиття зносу була запропонована прогнозуюча залежність

,

де Т_d - додатковий ресурс тягової передачі, одержаний за допомогою РВС-технологій; - поправочний коефіцієнт; - коефіцієнт зносової рівноміцності, який визначався як

,

де - початкова середня товщина зубів великої і малої шестерні перед обробкою за РВС-технологією; - середня товщина зубів великої і малої шестерні після обробки за РВС-технологією; - кількість досліджуємих зубів великої і малої шестерен.

Отримані прогнозуючі аналітичні та експериментальні залежності для поверхні зубчастих коліс тягових передач електропоїздів на етапі їх інтенсивного зносу (рис. 2).

У розділі 3 досліджена динаміка зносу й міцність зубів тягової передачі до і після обробки за РВС-технологією.

Для проведення розрахунку міцності зібрані статистичні дані про тривалість роботи магістральних електропоїздів і електропоїздів метрополітену на різних режимах, які дозволили розрахувати випадкові навантаження за постійними, еквівалентними по впливу на тягові передачі. Вони визначалися як

, ,

де - сила тяги на автозчепі в i-му режимі роботи при швидкості руху V_j; t_i - тривалість i-го режиму роботи; Т_р - сумарний час спостереження за роботою в заданому діапазоні швидкості руху V_j; n - сумарне число режимів роботи за час Т_р.

Було встановлено, що перекручування профілю зубів призводить до мінливості передаточного відношення редуктора й виникненню в ньому під дією кінематичного збудження значних динамічних навантажень зубової частоти.

При розрахунку зубів на витривалість при вигині й на контактну витривалість за вихідні розрахункові навантаження були прийняті найбільші значення з отриманих вище еквівалентних для частково зношеної й обробленої за РВС-технологією тягових передач.

При плавних циклограмах навантаження числа зміни напруг і визначалися як

,

,

де - число циклів, що відповідає інтервалу швидкості ; - базове число циклів навантаження; - число циклів на контактну витривалість після обробки за РВС-технологією; 2,4 - коефіцієнт, що враховує частку, яка дозволяє розглядати, циклограми з найбільшими навантаженнями.

На основі цього були визначені коефіцієнти довговічності зубчастих тягових передач

, .

На підставі даної методики вихідне розрахункове навантаження , визначене за циклограмою для розрахунку зубів тягової передачі електропоїзда ЕР-2 на витривалість при вигині, після застосування РВС-технологій, була встановлена рівною Н. Аналогічно були визначені розрахункові навантаження для електропоїздів метрополітену: Н; і Н.

За попередніми даними на дослідних електропоїздах, тягові передачі яких були оброблені за РВС-технологіями, визначилась тенденція зменшення їх зносу, але для нормування показників ще недостатній обсяг інформації. Це стало передумовою для створення дагностичного комплексу та впровадження автоматизованої системи збирання і обробки експлуатаційної інформації (АСЗОІ) про технічний стан тягових передач.

У 4 розділі для реалізації теоретичних положень приведені організаційно-технічні заходи щодо вдосконалення технології контролю і діагностування тягових передач електропоїздів. Крім статистичних запропонований комплекс інструментальних і апаратних методів вібраційного контролю параметрів екіпажної частини. Він включає до себе вібродатчики і переносний мікропроцесорний накопичувач даних, інтерфейс з ПЕОМ та програму обробки отриманих сигналів. За допомогою цих технічних засобів у базових локомотивних депо отримані дані відсотка відхилень діагностичних параметрів (у межах 58%).

Вібраційне діагностування тягових передач проводилося за лінійним трендом віброприскорень (дБ) за часом напрацювання. Інтерпретація визначення ресурсу об'єкта діагностування наведена на рис. 3а. Отримані співвідношення для прогнозування ресурсу Т_р:

; ;

де , - максимальні і початкові значення віброприскорень; - кутовий коефіцієнт тренду; - рівень вібрації у поточний момент часу.

На базі лінійного тренду віброприскорень запропонована модель експрес-діагностування максимального і залишкового ресурсу при обмеженій інформації - за результатами одного або двох вимірів вібраційного параметра. Максимальний і залишковий ресурси тягової передачі при відомих значеннях нормованого параметру, його відхилення від максимального значення та при напрацюванні від початку експлуатації на момент диагностування можна визначити за коефіцієнтом (а) швидкості нарастання вібрації за допомогою одного виміру вібрації (рис. 3а)

; ; .

При відсутності даних про напрацювання елемента з початку експлуатації необхідно провести два виміри через деякий проміжок часу напрацювання . Тоді

; ; ;

; .

Прогнозування залишкового ресурсу за зміною рівня вібрації зводилося до екстраполяції знайденого тренду й визначення моменту його перетинання з лінією (значень вібраційних параметрів для функціональних елементів тягової передачі).

Для одержання експлуатаційних даних розроблена мікропроцесорна автоматизована система збору та обробки інформації (АСЗОІ). Сформульовані вимоги до складу та архітектури АСЗОІ, а також до прикладного програмного забезпечення. Запропоновано гнучку структурну схему АСЗОІ, що дозволяє під час експлуатації проводити реєстрацію і накопичення інформації від штатних датчиків на електропоїздах. Отримані залежності на дослідному парку магістральних електропоїздах та електропоїздах метрополітена використання потужності в функції часу, питомих витрат електроенергії з обробленими тяговими передачами за РВС-технологією. Проведені дослідження підтверджені матеріалами впровадження, у яких наведені основні результати виконаної роботи.

Висновки

Підсумовуючи результати виконаного дослідження можна затвердити, що поставлена мета вирішена - досягненні позитивні результати випробувань нових технологій на підставі розробки наукової задачі підвищення надійності тягових передач електропоїздів.

Крім того:

1. В роботі виконаний аналіз умов роботи тягових передач, їх динаміка і міцність, що висуває доцільність впровадження нових технологій ремонту та відновлення.

2. Розроблена комплексна модель оцінки ресурсу тягових передач електропоїздів для всіх стадій життєвого циклу, яка базується на лінійних та експоненціальних залежностях зносу робочої поверхні зубчастих коліс з урахуванням їх зносової рівноміцності.

3. Одержані аналітичні залежності прогнозування ресурсу тягових передач на стадії їх інтенсивного зносу.

4. Запропонована модель визначення ресурсу на основі даних віброакустичного діагностування та отримані залежності для прогнозування залишкового ресурсу за екстраполяцією з найденого тренду й визначення моменту його перетинання з лінією граничного стану.

5. Виконана розробка мікропроцесорної автоматизованої системи збирання та обробки інформації (АСЗОІ), за допомогою якої отримані залежності навантаження тягових передач в функції часу, а також значення питомих витрат електроенергії дослідними та серійними електропоїздами.

6. На підставі впровадження дослідних зразків мікропроцесорних приладів та доопрацьованої технології вібромоніторингу екіпажної частини електропоїздів значно підвищений обсяг достовірної діагностичної інформації під час проведення технічного обслуговування та поточного ремонту.

7. На підставі зіставлення теоретичних даних з отриманими параметрами, під час експлуатаційних випробуваннях на дослідних електропоїздах, для ПЕОМ сформовані еталонні віброкритерії, які дозволяють при діагностуванні визначати конкретну відмову у вузлах тягових передач.

8. Запропоновані заходи на дослідному парку електропоїздів дозволило підвищити їх коефіцієнт готовності на 0,1%, скоротити час їх непродуктивного простою на 3% і підвищити безвідмовність у експлуатації на 7%.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах

Размещено на Allbest.ru