Прогнозирование остаточного ресурса цилиндропоршневой группы тепловозных дизелей типа 10Д100 на основе информации о режимах работы силовой установки

Актуальность темы

Высокая интенсивность работы локомотивного хозяйства — основного подразделения, обеспечивающего перевозочный процесс на железных дорогах Российской Федерации, приводит к повышенному износу основных фондов и, прежде всего, тягового подвижного состава. Это обуславливает необходимость постоянного контроля технического состояния тягового подвижного состава (ТПС), его основных наиболее ответственных агрегатов, узлов и деталей в процессе эксплуатации с последующим целенаправленным ремонтным воздействием в рамках принятой планово-предупредительной системы ремонта. Причем по данным МПС в настоящее время расходы на ремонт и техническое обслуживание, особенно при перевозках тепловозной тягой, настолько велики, что проблема оценки, рационального использования и прогнозирования ресурса лимитирующих узлов и деталей тепловозов в эксплуатации, приобретает особую актуальность.

Обобщенный статистический анализ технического состояния тепловозов Федерального железнодорожного транспорта России показал, что наименее надежным агрегатом тепловоза является дизельный двигатель внутреннего сгорания вне зависимости от его конструкции, а одним из основных лимитирующих узлов, на который приходится наибольшее количество отказов и наибольшие трудозатраты при техническом обслуживании и текущем ремонте (ТО и TP) — цилиндропоршневая группа (ЦПГ).

Подверженные высоким тепловым и механическим нагрузкам детали ЦПГ в большинстве случаев выходят из строя по причине повышенного износа. Их интенсивный износ обусловлен в первую очередь трением — процессом, непрерывно протекающим при работе ДВС. Трение является первопричиной повышенного износа в процессе эксплуатации. В связи с этим ресурс до переборки большинства дизелей, в том числе и тепловозных, определяется предельным состоянием деталей ЦПГ, а в качестве основной лимитирующей детали, как правило, принимается верхнее поршневое компрессионное кольцо. Причем, контроль технического состояния деталей ЦПГ в эксплуатации преимущественно осуществляется по диагностическим параметрам, косвенно характеризующим их работоспособность и исправность, что в принципе не позволяет точно оценивать величину износа, в частности поршневых колец. Прямой же контроль технического состояния деталей ЦПГ имеет известные сложности, связанные с необходимостью разборки дизеля, что влечет за собой нарушение приработки трущихся сопряжений.

Практика эксплуатации, а также работы отечественных ученых показывают, что интенсивность выработки ресурса основных лимитирующих узлов и деталей тепловозных дизелей существенно зависит от степени загрузки локомотива на полигоне обращения. Это дает возможность подходить к решению задачи оценки и прогнозирования остаточного ресурса, в частности деталей ЦПГ, способами основанными на использовании первичной информации о параметрах и циклах нагружения основной силовой установки тепловоза — дизель-генераторной установки в эксплуатации.

В связи с этим настоящее исследование посвящено решению актуальной отраслевой научно-практической задачи для железнодорожного транспорта, заключающейся в научном обосновании разработки способа оценки и прогнозирования остаточного ресурса цилиндропоршневой группы тепловозных дизелей 10Д100, основанного на измерении нагрузок, действующих в эксплуатации.

Прогнозирование остаточного ресурса лимитирующих узлов и деталей тепловозного дизеля на основе информации о режимах работы силовой установки позволит сократить расходы на техническое обслуживание и ремонт за счет более полного использования назначенного ресурса ТПС в эксплуатации, уменьшения количества ремонтов и обоснованного перехода к системе ремонта по фактическому техническому состоянию.

Диссертационная работа подготовлена на основе исследований, проводимых на кафедре «Локомотивы» СамИИТа при участии автора в рамках отраслевых научно-технических программ МПС «Разработать и внедрить высокоэффективные технологические процессы и технические средства в локомотивном хозяйстве», утвержденной приказом № 25 ЦЗ от 06.11.87 г., и «Об организации работ для перехода на ремонт по техническому состоянию локомотивов и моторвагонного подвижного состава», утвержденной приказом № 2467 от 11.10.99 г. Тема диссертационной работы соответствует основным направлениям «Концепции системы технического обслуживания и ремонта ТПС по техническому состоянию».

Цель настоящего исследования. Целью диссертационной работы является научное обоснование разработки способа оценки и прогнозирования остаточного ресурса цилиндропоршневой группы тепловозного дизеля 1 ОД 100 в процессе эксплуатации на основе использования первичной информации о режимах работы силовой установки.

Задачи настоящего исследования. Для достижения поставленной цели, опираясь на результаты проводимых коллективом кафедры «Локомотивы» СамИИТа исследований, соискателем в диссертации сформулированы и успешно решены следующие задачи:

1. На основе обобщенного статистического анализа технического состояния тепловозов Федерального железнодорожного транспорта России выявлены основные лимитирующие агрегаты, узлы и детали тепловозов.

2. Выполнен классификационный анализ существующих методов прогнозирования технического состояния сложных технических объектов.

3. Исследовано современное состояние проблемы прогнозирования остаточного ресурса локомотивов, их основных агрегатов, узлов и деталей.

4. Определен основной подход к решению задачи прогнозирования остаточного ресурса деталей ЦПГ, в случае регистрации режимов нагружения силовой установки тепловоза в процессе эксплуатации.

5. Разработана математическая модель, описывающая процесс износа прямоугольных хромированных и биметаллических с бронзовой вставкой верхних компрессионных поршневых колец тепловозного дизеля 1 ОД 100 в эксплуатации.

6. Выполнено исследование процесса износа колец, применяемых в качестве компрессионных на тепловозных дизелях 10Д100.

7. Разработан способ оценки и прогнозирования остаточного ресурса ЦПГ дизеля 10Д100, основанный на использовании первичной информации о режимах работы дизель-генераторной установки тепловоза.

8. Осуществлена экспериментальная проверка результатов теоретических исследований в условиях эксплуатации.

9. Выполнена технико-экономическая оценка полученных результатов.

Объект исследования: тепловозный дизель 10Д100 тепловоза 2ТЭ10М, его цилиндропоршневая группа и, в частности, верхние поршневые компрессионные кольца.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе обобщения и анализа информации, которая приведена в научной, научно-технической, патентной и периодической литературепутем математического моделирования процессов, протекающих при работе лимитирующих узлов и деталей тепловозных дизелейс помощью прикладных пакетов программ для IBM PC — статистической обработки больших массивов данных «Excel» и математического анализа «MatLab».

Экспериментальные исследования осуществлялись в локомотивном депо «Ульяновск» ТЧ-14 Ульяновского отделения Куйбышевской железной дороги на тепловозе серии 2ТЭ10М № 3003-.

Научная новизна.

1. На основе теории поршневых колец Б. Я. Гинцбурга создана математическая модель, описывающая процесс износа прямоугольных хромированных и биметаллических с бронзовой вставкой верхних компрессионных колец тепловозного дизеля 1 ОД 100 в эксплуатации.

2. Исследование и анализ математической модели позволили оценить численные значения предельно допустимых величин радиального износа колец, применяемых в качестве компрессионных на дизелях 1 ОД 100, в диапазоне изменения режимов работы силовой установки по позициям контроллера машиниста.

3. Получены эмпирические зависимости ресурса прямоугольных хромированных и биметаллических с бронзовой вставкой верхних поршневых компрессионных колец тепловозного дизеля 10 Д100 от среднеэксплуатационного коэффициента загрузки ДГУ тепловоза, с учетом допустимой величины зазора в замке свободном состоянии при выходе тепловоза из ремонта.

4. Разработан способ оценки и прогнозирования остаточного ресурса ЦПГ дизеля 10Д100, основанный на использовании полученных в работе зависимостей и линейного закона суммирования повреждений.

Практическая ценность работы. Теоретические и практические решения, предложенные в диссертации, позволяют непосредственно в процессе эксплуатации оценивать и прогнозировать остаточный ресурс ЦПГ тепловозных дизелей 10Д100, принимать обоснованное решение о необходимости проведения очередного ремонта с разборкой дизеля и заменой компрессионных колец. Это, в свою очередь, позволяет повысить эксплуатационную эффективность ТПС и сократить эксплуатационные расходы на ТО и TP за счет более полного использования назначенного ресурса ТПС в эксплуатации, уменьшения количества ремонтов и обоснованного перехода к системе ремонта по фактическому техническому состоянию. Кроме этого, предложенный способ можно считать универсальным, поскольку после соответствующей корректировки его можно использовать для оценки и прогнозирования остаточного ресурса ЦПГ других типоразмеров дизелей.

Реализация результатов работы. Проведенные теоретические исследования были практически подтверждены результатами испытаний на тепловозе серии 2ТЭ10М № 3003~, который использовался в грузовом и пассажирском движении в локомотивном депо «Ульяновск» ТЧ-14 Ульяновского отделения Куйбышевской железной дороги. Предложенные в диссертационной работе практические решения обозначенной проблемы были использованы в производственной деятельности локомотивного депо «Ульяновск» ТЧ-14, что подтверждают соответствующие акты о внедрении.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, межвузовских, научных, научно-практических и научно-технических конференциях: «Опыт взаимодействия ВУЗов и железных дорог в научно-техническом прогрессе и подготовке специалистов» (Самара, 1998 г.) — «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (Ростовна — Дону, 1999 — 2000 г. г.) — «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Москва, 2000 г.) — «Новые технологиижелезнодорожному транспорту: подготовка специалистов, организация.

12 перевозочного процесса, эксплуатация технических средств" (Омск, 2000 г.) — а также на заседаниях научно-технического семинара электромеханического факультета СамИИТа (Самара, 1998 — 2002 г. г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ и получено свидетельство № 73 200 100 202 Всероссийского научно-технического информационного центра (ВНТИЦ) об официальной регистрации интеллектуального продукта «Методика прогнозирования остаточного ресурса дизеля тепловоза».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 основных разделов, выводов, списка использованных источников и приложений. Она содержит 146 страниц машинописного текста, 25 рисунков, 16 таблиц, 14 приложений, 91 наименование в списке использованных источников.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Обобщенный статистический анализ технического состояния тепловозов Федерального железнодорожного транспорта России показал, что наименее надежным агрегатом тепловоза является дизель, одним из основных лимитирующих узлов — цилиндропоршневая группа. Ресурс до переборки дизеля определяется предельным состоянием деталей ЦПГ, а в качестве основной лимитирующей детали принимается верхнее поршневое компрессионное кольцо.

2. Выполнен классификационный анализ существующих методов прогнозирования технического состояния объектов, который показал, что в зависимости от имеющейся информации о процессе изменения состояния (модели изменения состояния) для решения задач связанных с прогнозированием остаточного ресурса в эксплуатации в каждом отдельном случае требуются свои методы, основанные на различном математическом аппарате.

3. Исследование современного состояния обозначенной проблемы показало, что прогнозирование остаточного ресурса таких лимитирующих узлов, как детали цилиндропоршневой группы существующими методами, связано с большими трудностями из-за проблематичности определения в эксплуатации значений контролируемых параметров, в достаточной мере обуславливающих техническое состояние деталей ЦПГ. Перспективным является способ оценки и прогнозирования остаточного ресурса ЦПГ тепловозных дизелей, основанный на измерении нагрузок, действующих в эксплуатации. При этом исчерпывающая и достоверная первичная информация о режимах работы силовой установки тепловоза является основой для прогнозирования остаточного ресурса ЦПГ.

4. Для научного обоснования разработки способа прогнозирования остаточного ресурса ЦПГ дизеля 1 ОД 100 на основе информации о режимах работы силовой установки тепловоза при создании математической модели, описывающей процесс износа верхних поршневых компрессионных колец, используем подход, основанный на использовании эмпирической зависимости, в которой вводится мера повреждения у/ - величина расчетная, зависящая от наработки t и действующих нагрузок q — величин, измеряемых в эксплуатации at.

5. На основе теории поршневых колец Б. Я. Гинцбурга создана математическая модель износа прямоугольных хромированных и биметаллических с бронзовой вставкой верхних поршневых компрессионных колец дизеля 10Д100, связывающая в линейной форме скорость износа верхнего поршневого компрессионного кольца и давление на его поверхности.

6. На основе предложенной математической модели выполнено аналитическое исследование процесса износа верхних поршневых компрессионных колец тепловозных дизелей 1 ОД 100 и получены численные значения предельных величин радиального износа в диапазоне изменения режимов работы дизель-генераторной установки тепловоза (позиций контроллера машиниста).

7. Получены эмпирические зависимости ресурса верхних поршневых компрессионных колец и ЦПГ в целом дизеля 10Д100 от среднеэксплуатационного коэффициента загрузки тепловоза на полигоне обращения.

8. Разработан способ оценки и прогнозирования остаточного ресурса ЦПГ дизеля 10Д100, основанный на использовании первичной информации о режимах работы дизель-генераторной установки тепловоза и полученных зависимостей.

9. Проведены экспериментальные исследования в условиях эксплуатации.

10. Выполнена технико-экономическая оценка результатов исследований, представленных в диссертационной работе.