17 Ноября 2015

Приняли участие в формировании статьи в сборнике материалов III Международной научно-технической конференции, посвященной 85-летию со дня рождения доктора технических наук, профессора В.В. Стрекопылова. «Локомотивы. ХХ1 век»

д.т.н., проф. Грищенко А.В.

к.т.н., доц. Грачев В.В.

к.т.н., доц. Базилевский Ф.Ю.

к.т.н. Шрайбер М.А.

(ФГБОУ ВО ПГУПС, г. Санк?Петербург),

Ганиева Ю.М.

Мельникова В.В.

(ООО «Экспромтранс», Москва)

Оценка остаточного ресурса несущих конструкций локомотивов промышленного транспорта

Ни для кого не секрет: парк отечественного тягового подвижного состава изношен до предела — особенно тот, который принадлежит промышленным предприятиям, так как за более чем двадцать лет новые ло-комотивы ими практически не закупались.

Большинство специалистов отмечают, что если не принять срочных мер, к 2016 году более 95 % локомотивов промышленного транспорта выработают назначенный срок службы, а эксплуатация их будет запрещена действующими нормативными документами.

С учетом того что локомотивы промышленного транспорта проходят регулярное техническое обслуживание, эксплуатируется в условиях благоприятных нагрузок и не испытывают высоких продольных воздействий, можно сделать предположение, что, несмотря на истечение нормативного срока службы, их технический ресурс выработан далеко не полностью. Отечественная и зарубежная практика показывает, что фактический срок эксплуатации локомотивов промышленного транспорта зачастую может существенно превышать срок, заявленный производителем. Исходя из невозможности одновременного обновления всего парка локомотивов и наличия остаточного ресурса целесообразно выполнить экспертное обследование их технического состояния для обоснования возможности продления срока службы за счет обновления изношенного оборудования и усиления ослабленных несущих конструкций.

При таких обстоятельствах одной из важнейших задач экспертного обследования локомотивов, формально не предусмотренного действующими нормативными документами, становится оценка остаточного ресурса. Эта задача не является простой и не может быть решена путем проведения типовых профилактических испытаний.

Остаточный ресурс несущих конструкций локомотива в целом на момент обследования определяется узлом, который имеет наименьший остаточный ресурс. Выявление такого узла может быть осуществ-лено только комплексной экспертизой, иначе можно легко ошибиться из-за недосмотра и недоучета всех имеющихся на момент обследования дефектов. Так как оценка остаточного ресурса имеет вероятностный характер, то для получения более точной оценки необходимо обеспечить подтверждение предполагаемых дефектов несколькими методами. Для принятия обоснованных решений об отстранении локомотива из эксплуатации, направления его в ремонт, об объеме ремонта или же о продолжении эксплуатации необходимо, кроме определения узла с наименьшим остаточным ресурсом, получить надежную информацию об остаточном ресурсе всех других узлов, деталей и систем.

Наибольшая эффективность комплексной экспертизы локомотивов может быть получена при наличии развитой организационной и технологической системы контроля их технического состояния, которая бы позволяла получать максимум информации о техническом состоянии при минимальном вмешательстве в процесс эксплуатации. Такая система должна в себя включать:

специализированные звенья, укомплектованные высококвалифицированными и опытными специалистами, работающими на постоянной основе;
парк высокотехнологичных современных приборов;
развитую и регулярно обновляемую методическую базу;
систему дистанционного мониторинга функциональных параметров работающих локомотивов с возможностью архивирования данных;
отлаженную систему ведения ремонтной и эксплуатационной до-кументации эксплуатируемых локомотивов;
регулярную работу по дооснащению новыми эффективными средствами контроля и по улучшению контролепригодности локомотивов.

Набор работ, выполняемых в рамках комплексной экспертизы, не может быть полностью исчерпывающим. Всегда остаются какие-то свойства или параметры, для проверки которых нет соответствующих методов и средств контроля, или же существующие средства на момент обследования недоступны по тем или иным причинам. Поэтому состав методов и средств, применяемых при комплексной экспертизе, предопределяется конструктивными особенностями локомотивов, сложившимися обстоятельствами обследования и поставленными задачами. Основной признак комплексности — это максимальный, исходя из имеющихся средств, охват свойств и характеристик контролируемого локомотива и ис-пользование взаимно дополняющих, уточняющих и друг друга перекрывающих средств и методов.

Имеющиеся диагностические методы и технологии позволяют осуществлять обследования как локомотивов в целом, так и его узлов на работающем локомотиве, на локомотиве, находящемся в разобранном состоянии, и путем лабораторных исследований и анализов полученных тем или иным способом материалов и информации. Получаемые результаты дополняют и обогащают друг друга.

Задача продления срока службы и обеспечения надежности работы локомотивов решается путем своевременного выявления и устранения дефектов, не давая им развиться до такой степени, при которой последует аварийное ситуации или необратимое разрушение локомотива. Наряду с устранением выявленных дефектов, известным способом сбережения ресурса работоспособности является замедление или прекращение развития этого дефекта

Любой локомотив является восстанавливаемым изделием. Большинство узлов локомотива могут быть восстановлены или заменены, и таким образом ресурс работоспособности локомотива восстанавливается либо полностью (в редких случаях), либо частично (как правило).

Многолетний опыт использования методов оценки остаточного ресурса несущих конструкций основывается на выявлении и анализе устойчивых тенденций изменения контролируемых параметров за относительно длительный срок регулярных наблюдений. Критериями, позволяющими оценивать определенные аспекты технического состояния, являются как пороговые уровни отдельных параметров, так и тенденции их изменения, выявляемые в ходе экспертных обследований.

Алгоритм оценки остаточного ресурса несущих конструкций локомотива включает следующие этапы:

Анализ технической документации ставит целью установление номенклатуры технических параметров, предельных состояний, выявление наиболее вероятных отказов и повреждений, а также элементов конструкций и ее участков, рост поврежденности в которых и их дефектность могут привести к ресурсному отказу. Особое внимание должно быть уделено анализу критериев, причин, последствий и критичности отказов, выявлению возможных постепенных деградационных и зависимых отказов, подтверждению отсутствия возможности внезапных отказов.

Анализу должна подлежать:

нормативно — техническая, конструкторская (проектная) и эксплуатационная, в том числе монтажная, эксплуатационная и ремонтная документация;
техническая документация и научно — техническая информация по отка-зам и повреждениям по парку локомотивов и аналогичному оборудованию.

Анализ технической документации завершается составлением перечня проанализированной документации и карты локомотива в виде эскизов и таблиц с указанием элементов и участков, которые в результате особенностей их конструкторской или технологической реализации и условий функционирования и нагруженности представляются наиболее предрасположенными к появлению повреждений и отказам (в особенности скрытым, зависимым и внезапным).

На этом этапе изучается интенсивность эксплуатации обследуемого локомотива с целью прогнозирования нагруженности его узлов и агрегатов в дальнейшем. К параметрам, характеризующим этот показатель, относятся пробег, масса перевозимого груза, возможность перегруза, коэффициент использования, вид перевозимых грузов и их коррозионные или абразивные свойства.

Анализ повреждений и отклонений параметров технического состояния, проводимого на основании полученных данных при анализе технической документации, оперативной диагностике и экспертном обследовании, должно быть установление текущего технического состояния локомотива, уровня и механизмов повреждений, фактической нагруженности, необходимых для прогнозирования развития этого состояния в соответствии с установленными закономерностями доминирующих механизмов повреждения до достижения параметрами технического состояния значений, при которых локомотив переходит в предельные состояния.

Анализ должен включать:

оценку фактической нагруженности основных элементов конструкции локомотивов, выполненную расчетным методом по действующим нормативно — техническим документам с учетом всех режимов нагружения и действующих нагрузок (включая температурные воздействия), фактической геометрии конструкции, фактических толщин ее несущих элементов, имеющихся и выявленных концентраторов напряжений и экспериментальных результатов исследований напряженно — деформированного состояния, полученных при оперативной диагностике и экспертном обследовании;
установление механизмов образования и роста обнаруженных дефектов и повреждений, возможных отказов (постепенных, деградационных, внезапных, включая их категории, последствия и критичность) вследствие развития дефектов и повреждений; при этом особое внимание должно быть уделено подтверждению отсутствия возможности внезапных отказов, при которых невозможно прогнозирование остаточного ресурса;
оценку параметров технического состояния локомотива, их соответствие требованиям нормативно — технической и конструкторской документации, а по отклонению от требований установление определяющих параметров технического состояния;
установление уточненной по сравнению с указанной в нормативно — технической документации системы предельных состояний и их критериев (например, уровень прогрессирующего формоизменения, возникновение предельно допустимых трещин, уровень течи перед разрушением и т.д.);
заключение о необходимости дальнейших уточненных расчетов и экспериментальных исследований напряженно — деформированного состояния и характеристик материалов;
заключение о возможности дальнейшей эксплуатации локомотива с установлением назначенного ресурса (до проведения уточненных расчетов и экспериментальных исследований напряженно — деформированного состояния, характеристик материалов и оценки остаточного ресурса) в случае отсутствия повреждений, влияющих на параметры технического состояния локомотива.

Экспертное обследование направлено на получение информации о реальном техническом состоянии локомотива, наличии в нем повреждений, выявлении причин и механизмов их возникновения и развития. Экспертное обследование проводиться в соответствии с Программой и методикой применительно к данной серии локомотивов.

В общем случае Программой и методикой предусматривается:

визуальный (внешний и внутренний) контроль;
измерения геометрических параметров, включая толщинометрию;
замеры твердости и определение механических характеристик, металлографические исследования, определение химического состава металла, дефектоскопический контроль, вид и объем которого устанавливается с учетом требований полноты и достаточности выявления дефектов и повреждений данного локомотива;
при необходимости, испытания на прочность (с применением методов тензочувствительных покрытий, тензометрии, акустической эмиссии, термографии и др.).

Результаты экспертного обследования оформляются в виде протоколов измерений, карт дефектности и повреждений локомотива с таблицами данных, дополнены в базу данных по локомотиву и отражены в отчете или техническом заключении. В случае обследования неисправного (но ремонтнопригодного) или нефункционирующего локомотива порядок проведения оперативной диагностики и экспертного обследования может быть изменен.

Сначала выполняется органолептический контроль (наружный и внутренний осмотр) кузова и рамы локомотива. В задачу контроля входит визуальное и метрологическое выявление отклонений геометрических размеров конструкций обследуемого локомотива от проектных, выявление трещин, деформаций, других дефектов, а также определение зон углубленного исследования материала и сварных соединений. Затем проводится толщинометрия основных несущих элементов конструкции локомотива. Для этого используются измерительные приборы и инструмент с целью выявления зон и степени утонения элементов металлоконструкций, которые могут возникать вследствие деформаций, коррозионного или абразивного воздействия внешней среды, грузов или сопрягающихся элементов.

Уточненные расчеты и экспериментальные исследования напряженно — деформированного состояния и характеристик материалов проводятся для получения дополнительной (а также отсутствующих в технической документации) информации об уровне номинальных и местных напряжений и деформаций с учетом фактических свойств материалов, необходимой для установления механизмов повреждений и непосредственно расчетов остаточного ресурса.

Уточненные расчеты проводятся с учетом всех режимов и действующих нагрузок за период эксплуатации (включая температурные воздействия и взаимодействие с внешней средой), а также возможным изменением характеристик материалов. В Программе и методике разработаны расчетные модели, применяемые для определения усилий, перемещений, напряжений и деформаций в рассчитываемых конструкциях по методу конечных элементов с использованием пакета прикладных программ Solid- Works.

Сравнительные измерения, которые обычно применяют для проверки результатов, полученных при расчетах по методу конечных элементов, показывают, что разница между результатами расчетов и измерений не превышает 10 %, что вполне приемлемо для оценки действующих на раму тепловоза деформаций и напряжений.

Результаты расчетов напряженно — деформированного состояния, выполненные по нормативным документам, не регламентированным непосредственно для обследуемого локомотива, подвергаются проверке, выполняемой экспериментальными методами (тензометрии, тензочувствительных покрытий, термометрии, акустической эмиссии и т.д.), ко-торые в отдельных случаях (например, при отсутствии достаточно точных или апробированных на практике методов для сложных расчетных случаев) могут использоваться самостоятельно. При этом используются (при достаточном теоретическом и экспериментальном обосновании) методы математического моделирования и ускоренные методы испытания.

Определение уточненных характеристик материалов проводится на образцах, вырезанных из элементов конструкции рамы локомотива, или образцах свидетелях (в отдельных случаях, при достаточном экспериментальном обосновании, на их имитаторах), в соответствии с программами исследований, составленными с учетом обнаруженных повреждений и условий эксплуатации элемента конструкции. При этом перечень характеристик материала должен быть расширен и включать кроме стандартных прочностных свойств в зависимости от условий эксплуатации характеристики малоцикловой и многоцикловой усталости, длительной прочности, трещиностойкости, сопротивления коррозии и коррозионному растрескиванию и др.

Испытания образцов и определение характеристик материалов проводятся в соответствии с нормативно-технической документацией. По результатам уточненных расчетов и исследования напряженно — деформированного состояния и характеристик материалов уточняются механизмы повреждений, параметры технического состояния, установлены определяющие параметры технического состояния и критерии предельных состояний.

Определение остаточного ресурса локомотива осуществляется на основе совокупности имеющейся информации прогнозированием его техниче-ского состояния по определяющим параметрам до достижения пре- дельного состояния.

На первой стадии прогнозирования величины остаточного ресурса показывается, что в результате выполненных обследований и анализов технического состояния обеспечено выполнение следующих условий:

известны параметры технического состояния локомотива;
известны определяющие параметры технического состояния, изменяющиеся соответственно выявленному механизму повреждения элементов рамы локомотива;
известны критерии предельных состояний рамы локомотива, достижение которых возможно при развитии выявленных повреждений.

В качестве основного показателя остаточного ресурса в результате прогноза определяется гамма — процентный ресурс, задаваемый двумя численными значениями: наработкой и выраженной в процентах вероятностью того, что в течение этой наработки предельное состояние не будет достигнуто.

Выбор вероятности (гамма) осуществляется в зависимости от назначения, степени ответственности и режима использования локомотива. Для уникальных и ответственных деталей локомотивов, преждевременное прекращение работы которых может привести к существенным экономическим потерям, это значение может достигать 90 ... 95%. Если переход базового элемента локомотива в предельное состояние (ре-сурсный отказ) связан с опасностью для жизни и здоровья людей, значительными экологическими последствиями, и контроль за техническими параметрами не ведется непрерывно, продолжительность эксплуатации следует нормировать заданием назначенного ресурса, основываясь, в том числе, на полученных показателях остаточного ресурса.

← Вернуться к списку новостей