Разработка системы подбора лакокрасочного покрытия пассажирских вагонов с целью повышения их эксплуатационной надежности

Актуальность работы.

Для защиты вагонов от коррозии, которая за несколько лет может полностью разрушить кузов вагона, учеными были разработаны антикоррозионные мастики на основе битума, которые гарантировали защиту узлов и деталей вагона на 18 — 20 лет. Однако, после распада СССР выпускавшие их предприятия остались на Украине, а применяемые для покраски вагонов материалы отечественного производства, в основном на алкидной основе, слабо защищают подвижной состав от коррозии. В настоящее время на сети железных дорог России эксплуатируется свыше 26 тысяч пассажирских вагонов и 7,5 тыс. секций электропоездов. По данным ВНИИЖТа, ежегодно более 60% пассажирских вагонов и 40% электропоездов приходится перекрашивать из-за низкого качества лакокрасочного покрытия. На эти цели расходуется более тысячи тонн краски на сумму 130 млн. рублей ежегодно. Таким образом возникает необходимость применения современных красок, позволяющих обеспечить долговременную защиту от коррозии. Такими красками могут выступать краски на основе полиуретана и эпоксидных смол, гарантирующие защиту от ржавчины как минимум на 6 лет.

Применение подобных красок может потребовать использования новых технологий для их нанесения. Технология предполагает тщательную подготовку окрашиваемой поверхности, в том числе полное снятие с вагона старого лакокрасочного покрытия, если оно есть, и наложение новых слоев грунтовки, шпаклевки и окраски, в отличие от старых технологий, предполагающих ремонт лишь поврежденных участков вагона. Оборудование, позволяющие обеспечить использование данной технологии с августа 2005 года используется в депо «Санкт-Петербург — пассажирский Московский». По результатам эксплуатации, производительность нового комплекса в два раза превышает производительность старого оборудования и составляет три-четыре вагона в сутки. Такие показатели позволят удовлетворить потребности в ремонте вагонов не только Октябрьской железной дороги, но и других филиалов ОАО «РЖД». Таким образом, использование новых технологий позволит повысить реальный срок службы покрытия вагона с сегодняшних года — двух до восьми — десяти лет.

Однако, использование традиционных лакокрасочных материалов, много лет использующихся для ремонта подвижного состава железных дорог страны, даже при их нанесении на новом оборудовании не может обеспечить должного уровня долговечности защитного покрытия. Например, такие материалы как грунтовка ГФ-0163, лак ПФ-283, эмали НЦ-11, НЦ-132, ПФ-115, при их применении для окраски подвижного состава не имеют реального срока службы 10 лет. Для обеспечения такого срока службы лакокрасочного покрытия, а соответственно и повышения срока службы вагонов, например при проведении капитально-восстановительного ремонта (КВР), необходимо использовать новые, более совершенные материалы.

В процессе эксплуатации пассажирские вагоны регулярно подвергаются мойке для удаления накапливающихся загрязнений, которые не только ухудшают внешний вид и санитарное состояние вагонов, но и отрицательно влияют на сохранность лакокрасочного покрытия, вызывают необходимость его частого ремонта и обновления. Опыт эксплуатации пассажирских вагонов, окрашенных лакокрасочными материалами на основе акриловых смол, показывает, что такие покрытия в значительной степени неустойчивы к воздействию агрессивных кислотных) моющих средств. Это выражается в быстрой потере декоративных свойств покрытием, мелении, шелушении, отслаивании. Поэтому, новые материалы, предлагаемые к использованию в качестве внешних защитных покрытий должны допускать применение не только нейтральных, но и агрессивных, как кислотных так и щелочных моющих средств. Поэтому тема данной диссертационной работы является актуальной.

Для оптимизации подбора подходящего лакокрасочного материала уместно использовать современные подходы. В частности, чтобы точно рассчитать срок службы покрытия, можно прибегнуть к методу математического моделирования.

Математические модели позволяют установить причинные, структурные и количественные связи между начальными условиями и потребительскими свойствами создаваемых изделий, технологических процессов. Будучи информационным ресурсом, они сводят к минимуму необходимые физические ресурсы — вещественные, энергетические, пространственные, временные — и создают системные ресурсыфункциональные, целевые, оптимизационные. Математические модели особенно необходимы в тех случаях, когда возможности конструирования, производства и эксплуатации, основанные на традиционных принципах, исчерпаны или приводят к нецелесообразно большим затратам.

Процессы, происходящие при взаимодействии внешней среды (как атмосферы так и груза) и покрытия, защищающего конструкции вагона, характеризуются как сложные. При их изучении необходим системный подход, включающий многокритериальность, многофакторность, адекватный метод описания, эффективность проведения исследований. Принятие формализованных решений в прикладных исследованиях сложных систем определяется их основными свойствами. Разрабатываемое алгоритмическое, и программное обеспечение должно учитывать реальные свойства исследуемых процессов.

Цель работы:

— Научное обоснование возможности продления срока службы защитного лакокрасочного покрытия кузовов пассажирских вагонов за счет использования современных лакокрасочных материалов;

— Разработка программного комплекса для расчета точного срока службы лакокрасочного покрытия пассажирского вагона.

Для выполнения поставленной цели решались следующие конкретные научные задачи:

1. Произвести анализ факторов, влияющей на долговечность службы лакокрасочных материалов используемых при окраске пассажирских вагонов в том числе — параметров окружающей среды;

2. Произвести анализ параметров ЖМ, влияющих на долговечность их службы;

3. Разработать математическую модель взаимодействия окружающей среды и ЖМ;

4. Обосновать эффективность программного комплекса, разработанного на основе математической модели и предназначенного для ускоренного принятия решения о пригодности использования данного типа ЖМ в данных условиях, с экономической точки зрения.

Объект исследования — Пассажирские вагоны железных дорог.

Предмет исследования — Продление срока службы защитного лакокрасочного покрытия пассажирских вагонов за счет рационального использования современных лакокрасочных материалов.

Научная новизна. Произведены следующие научные изыскания:

• Выделены и исследованы параметры лакокрасочного материала и агрессивной среды, непосредственно влияющие на срок службы лакокрасочного покрытия. Изучено перекрестное влияние этих параметров друг на друга;

• Создана математическая модель взаимодействия окружающей среды с ЖМ;

• Произведено научное обоснование эффективности программного комплекса реализующего математическую модель.

Практическая значимость создание программного комплекса для ускоренного принятия решения о пригодности использования данного типа.

JIKM в данных условиях нашло практическое применение:

— в создании нового программного комплекса, позволяющего произвести экспресс-анализ срока службы защитного покрытия, без привлечения дорогостоящих методов натурных испытаний,.

— в создании новой методической основы для оценки срока службы ЖМ в условиях воздействия агрессивных эксплуатационных факторов железной дороги;

— в создании архитектуры новой базы данных с характеристиками свойств агрессивного воздействия окружающей среды и характеристиками свойств ЖМ, влияющих на их срок службы;

— разработанный метод продления сроков службы лакокрасочных покрытий пассажирских вагонов, обеспечивающий снижение повреждений элементов вагонов нашел применение в технологических процессах на московском заводе по модернизации и строительству вагонов им. Войтовича.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Анализ параметров окружающей среды и параметров лакокрасочных материалов, влияющих на долговечность службы лакокрасочного материала;

2. Разработанная математическая модель взаимодействия окружающей среды и лакокрасочного материала;

3. Разработанный программный комплекс, позволяющий произвести экспресс-анализ срока службы защитного покрытия, без привлечения дорогостоящих методов натурных испытаний.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ:

Основные положения работы обсуждались и были одобрены на научно-практических конференциях, проводимых химическим концерном AkzoNobel в 2004;2006 годах.

По теме работы опубликовано две статьи, из них одна в центральном издании:

1. Ф. Б. Конев, В. М. Ермаков «Автоматизация подбора защитного лакокрасочного покрытия», «МГОУ-ХХ1-Новые технологии», 2006 № 4, стр 32−35;

2. В. М. Ермаков «Автоматизация подбора защитного лакокрасочного покрытия», «Железнодорожный транспорт», 2006 № 9, стр. 55.

Структура и объем работы: Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов и приложений:

Первая глава посвящена изучению современной ситуации по окраске пассажирских вагонов. Дается описание общепринятых в отрасли методов антикоррозионной защиты ц принципов расчета сроков службы лакокрасочных покрытий. Обосновывается необходимость внесения изменений в существующий на сегодняшний день подход к подбору антикоррозионной защиты — необходимость расчета точного срока службы защитного покрытия вагона. Обосновывается необходимость применения в расчетах математического моделирования.

Вторая глава включает в себя описание методов по подбору лакокрасочных покрытий на вагоноремонтных и строительных заводах. В главе приводятся теоретические обоснования для разработки математической модели взаимодействия агрессивной среды и защитного покрытия вагона. Описывается подход к выбору характеристик ингредиентной структуры защитного покрытия и факторы антикоррозионной среды, непосредственным образом влияющих на долговечность антикоррозионной защиты создаваемой ЛКМ.

Третья глава содержит решение практических задач на основе математического моделирования взаимодействия лакокрасочного покрытия вагона и агрессивной среды. На основании изучения выделенных факторов влияющих на возникновение коррозии были количественно определены значения основных параметров, характеризующих агрессивность окружающей среды с однгой стороны и свойства лакокрасочных материалов с другой. Полученные параметры были применены при разработке математической модели. В этой же главе приведен алгоритм программного комплекса, реализующего полученную математическую модель. Четвертая глава содержит расчет и анализ полученных данных и разработанных методов при практическом использовании на вагоноремонтном предприятии, и сравнение предлагаемого метода с применяемыми в настоящее время. В этой же главе приводятся результаты технико-экономической оценки эффективности использования предлагаемого метода окраски вагонов.

Объем работы составляет 119 листов.

Список литературы

включает 124 источников. Работа иллюстрирована 26 рисунками, 5 таблицами и 2 приложением.

6. Выводы.

1. Современные методы подбора лакокрасочных материалов для создания защитных покрытий пассажирских железнодорожных вагонов не учитывают реальных нюансов большого ассортимента лакокрасочных материалов и различий в требованиях к защитным покрытиям. Необходима разработка автоматизированной системы, которая подобные нюансы учитывает. В работе решена задача создания такой системы состоит в создании математической модели и ее программной реализации, которые позволяет заменить ресурсои трудоёмкие и затратные процессы эмпирического подбора лакокрасочных материалов на рациональное использование информационных технологий в целом и систем автоматизированного проектирования в частности.

2. Современная химическая промышленность обладает широким рядом лакокрасочных материалов с различными свойствами. Одним из важных критериев при подборе защитного покрытия является соответствие эксплуатационных свойств покрытий степени агрессивности окружающей среды. Различные лакокрасочные материалы и как следствие, созданные на их основе защитные покрытия обладают различными защитными свойствами, и применение материалов с максимальными защитными свойствами не всегда экономически оправдано. Каждый лакокрасочный материал имеет определенный набор параметров, по которым можно характеризовать его устойчивость к агрессивной среде. В равной степени и агрессивная среда обладает определенным набором параметров, по которым можно характеризовать степень ее агрессивности.

С учетом этого была получена закономерность, которая связывает изменение эксплуатационных характеристик защитного покрытия с учетом взаимодействия различных факторов агрессивности окружающей среды и факторов устойчивости защитного покрытия к подобному воздействию.

3. На основе полученных закономерностей была разработана математическая модель, позволяющая рассчитать срок службы определенного защитного покрытия в определенной среде с заданной агрессивностью.

Применение полученной математической модели дает возможность более четко рассчитывать интервалы между окраской подвижного состава, тем самым, избегая нежелательных ремонтных работ по восстановлению защитных лакокрасочных покрытий, в результате чего уменьшаются нагрузки на ремонтные предприятия, снижаются эксплуатационных расходы и негативные нагрузки на окружающую среду.

4. На основании статистических данных по срокам службы покрытий, учитывая их состав и агрессивность воздействовавшей на них среды были подобраны определенные числовые значения для параметров, описывающих как стойкость лакокрасочного материала к воздействию агрессивной среды, так и к степени агрессивной среды, оказывающей воздействие на защитное покрытие. Использование подобных числовых параметров в уравнениях, описывающих закономерности, связывающие изменение эксплуатационных характеристик защитного покрытия с воздействием на него агрессивной среды позволило численно рассчитать срок службы любого защитного покрытия.

5. Поскольку для каждого лакокрасочного материала набор таких параметров уникален, для их корректной обработки создана база данных, позволяющая накапливать хранить и обрабатывать данные согласно разработанной математической модели. В качестве системы управления базой данных выбрана СУБД ACCESS производства компании Microsoft что позволяет с легкостью использовать базу данных, поскольку СУБД ACCESS входит в стандартный набор программ офисного пакета MS Office, а данный пакет на сегодняшний день имеет наибольшее распространение в России.

База данных имеет несложный интерфейс и позволяет без дополнительной подготовки проводить анализ сроков службы покрытия. Более того, данная база данных имеет открытый формат, в нее могут вноситься новые данные, описывающие новые покрытия, или новые условия среды.

6. Полученных при помощи компьютерного моделирования результаты процессов взаимодействия агрессивной среды и JIKM, достаточно хорошо подтверждены в ходе эксперимента.

7. Полученная в результате работы программная реализация математической модели взаимодействия лакокрасочного материала с агрессивной средой может применяться в качестве инструмента позволяющего ускорить принятие решения об уместности применения или проведения натурных испытаний не использовавшихся ранее в практике конкретного депо или вагоноремонтного предприятия защитного лакокрасочного материала.

Результаты, полученные в ходе выполнения данной диссертационной работы, не противоречат существующим на сегодняшний день техническим решениям и технологическим приемам.

5.

Заключение

.

В работе был проведен глубокий анализ факторов, влияющей на долговечность службы железнодорожного пассажирского вагона, в частности анализ параметров лакокрасочных материалов используемых при окраске пассажирских вагонов. Одними из важнейших факторов влияющих на долговечность службы защитного покрытия является параметры окружающей агрессивной коррозионной среды.

Произведен анализ параметров JIKM, влияющих на долговечность их службы, выявлены степени влияния и взаимосвязи во влиянии различных параметров.

По итогам изучения воздействия агрессивной среды на защитное покрытие разработана математическая модель взаимодействия окружающей среды и лакокрасочного покрытия.

На базе полученной математической модели, в программном комплексе MS ACCESS была создана программная реализация математической модели. Данная программная реализация, выполненная с учетом установленных коэффициентов в виде базы данных может успешно применяться для ускоренного принятия решения о пригодности использования данного типа ЖМ для защиты металлоконструкций пассажирских вагонов в определенных условиях окружающей среды.

Обоснована экономическая эффективность применения высокотехнологичных защитных покрытий на базе эпоксиполимеров и полиуретанов.