Техническое диагностирование полувагонов и продление их срока службы

Техническое диагностирование полувагонов и продление их срока службы

На сегодняшний день инвентарный парк ОАО «РЖД» на­считывает более 260 тыс. полувагонов. Ежегодно истекает срок службы более чем у 15 тыс. единиц. Проведенный на ремонт­ных предприятиях анализ показал, что часть этих полувагонов находится в удовлетворительном состоянии. В условиях сущест­вующего недостатка данного вида подвижного состава, который оценивается в размере от 15 до 18 тысяч единиц ежегодно, осо­бую роль играет восстановление ресурса полувагона при его ка­питальном ремонте.

Федеральной программой по развитию и производству в Рос­сии грузового подвижного состава нового поколения в условиях недостатка инвестиций предусмотрено обновление парка грузо­вых вагонов в три этапа. На первом из них — на краткосрочную перспективу — для поддержания численности парка в размерах, обеспечивающих перевозки, запланировано увеличить срок по­лезного использования имеющихся вагонов путем проведения капитального ремонта с продлением срока службы (КРП). При этом предполагалось, что стоимость жизненного цикла вагонов после КРП должна быть ниже, чем аналогичный показатель но­вых вагонов.

Реализация этого этапа бала начата департаментом вагонного хозяйства МПС в 1999 году. В тех непростых экономических ус­ловиях одновременно решались две задачи. Первая — сохранить вагоноремонтные заводы, обеспечив их стабильную загрузку. Вторая — найти экономически оправданный способ оздоровления
парка, когда при затратах 3 5—40% стоимости нового вагона, срок службы бывшего в эксплуатации продлевался на 50%. За короткое время КРП полувагонов освоили все основные вагоноремонтные заводы России. Начиная с 1999 года по первое полугодие 2006-го этим видом ремонта отремонтировано более 16 тысяч единиц дан­ного типа подвижного состава.

Однако в течение последних лет качество выполнения КРП постепенно снижалось. При отборе подвижного состава в ремонт заводами не выполнялись необходимые процедуры диагностики. Как следствие, иногда в ремонт попадали полувагоны, не под­лежащие КРП. Кроме этого, увеличилось количество заводских браков, систематически не соблюдалась технология ремонта. Предполагалось, что данный вид ремонта должен продлить срок эксплуатации вагона на 11 лет, но на практике эту задачу выпол­нить не удалось. Большинство вагонов, прошедших КРП, после 4-5 лет работы выходили из строя. Одной из основных причин сложившейся ситуации можно назвать отсутствие экономических критериев при принятии решения о проведении КРП [1].

В результате руководством ОАО «РЖД» принято решение прекратить этот вид ремонта с 1 апреля 2006 года, однако стал осуществляться капитальный ремонт с продлением срока служ­бы по двум направлениям. Первое — проведение капитального ремонта с продлением срока службы на 5 лет (КР-5) для вагонов с кузовами, отобранными на основе углубленной диагностики. Второе — проведение КРП с заменой кузова на новый и продле­нием срока службы на 22 года [2].

После принятия решения о внедрении КРП с новым кузовом Канашский, Рославльский и Барнаульский вагоноремонтные за­воды приступили к его производству и решили задачу освоения кузовов собственного производства. В то же время Рославльский и Барнаульский заводы начали работы по проведению КР-5.

Начиная с ноября 2005 года инженерный центр вагонострое­ния выполняет работы по техническому диагностированию и про­длению срока службы универсальных полувагонов инвентарного парка ОАО «РЖД» с истекшим сроком службы при производстве капитального ремонта на вагоноремонтных заводах. Анализ техни­ческого состояния полувагонов, выполненный инженерным цент­ром вагоностроения, а также опыт диагностических организаций

Украины, где парк полувагонов занимает второе место по величи­не в странах СНГ, показал, что 47% обследованных полувагонов могут быть допущены в эксплуатацию на срок от 3 до 5 лет после проведения капитального ремонта [3].

Накопленный за прошедший период опыт работ позволил сформировать устойчивую работоспособную систему, обеспе­чивающую высокое качество и скорость проведения работ по продлению срока службы полувагонов, на основе которой была создана методика, позволяющая проводить техническое диагнос­тирование и обоснованно назначать новый срок службы, основы­ваясь на данных о текущем техническом состоянии и расчетно­экспериментальной оценке остаточного ресурса полувагона.

Традиционно техническое диагностирование включает в себя следующие мероприятия: анализ документации на полувагон, оценку интенсивности его эксплуатации, визуальный контроль состояния конструкции, неразрушающий контроль узлов и эле­ментов конструкции, оценку их коррозионного износа, анализ повреждений, накопленных за срок службы полувагона и др. На основе данных технического диагностирования осуществляется ремонт или замена узлов и деталей, пришедших в негодность. После проведения всех необходимых работ экспертная организа­ция оформляет техническое решение о продлении срока службы полувагонов.

Однако вновь назначенный срок службы не всегда удается определить достаточно точно, основываясь только на эксперт­ных данных о текущем техническом состоянии полувагона. По­этому важным вопросом остается совершенствование методики технического диагностирования этого вида подвижного состава с целью расчетно-экспериментального обоснования продления их срока службы.

В связи с этим специалистами инженерного центра вагоност­роения разработана методика технического диагностирования по­лувагонов, основной особенностью которой является то, что вновь назначенный срок службы подтверждается расчетами прочности, устойчивости и остаточного ресурса. Это существенно повыша­ет достоверность выбранного решения. Кроме того, методика позволяет определять остаточный срок службы для небольшой партии полувагонов, в т.ч. одного полувагона, представленного на техническое диагностирование, с той же достоверностью, что и для крупной партии.

Расчетная оценка остаточного срока службы заключается в следующем: на примере реальной конструкции полувагона раз­рабатывается конечно-элементная расчетная схема, схема прило­жения нагрузок и устанавливаются соответствующие граничные условия. Затем выполняются расчеты прочности, устойчивости и остаточного ресурса.

Наряду с расчетами методика предусматривает возможность экспериментальной оценки остаточного срока службы, которая заключается в проведении испытаний полувагона из представ­ленной партии с наихудшим техническим состоянием. Далее про­водится расчет остаточного срока службы исходя из эксперимен­тальных данных. Однако данный вид оценки остаточного срока ввиду значительных затрат не всегда целесообразен, особенно для небольшой партии полувагонов.

Методика предусматривает четыре основных этапа с указани­ем последовательности работ по каждому из них: 1 этап — под­готовительный; 2 этап — экспертный; 3 этап — расчетно-экспе­риментальный; 4 этап — заключительный (рис. 1).

Рис. 1. Последовательность работ по техническому диагностированию и продлению срока службы полувагонов

Первый этап включает в себя назначение экспертов, которые имеют соответствующее образование, необходимую квалифика­цию, практический опыт и аттестацию по направлениям экспер­тизы. В случае проведения экспертизы группой экспертов назна­чают ведущего эксперта, отвечающего за результаты проведения экспертизы в целом. Ведущий эксперт должен иметь опыт само­стоятельной работы в области обследования технического состо­яния полувагонов, обладать определенными организаторскими способностями, умением работать с коллективом.

С целью обоснования выбора вида и объема ремонта и при­ведения полувагона в работоспособное состояние для установле­ния возможности продления срока службы производится оценка и прогнозирование интенсивности эксплуатации полувагона.

Оценка условий эксплуатации учитывает интенсивность эксплуатации (пробег полувагона, коэффициент порожнего про­бега), номенклатуру перевозимых грузов, состояние полигона эксплуатации и системы ремонтов до и после восстановления ресурса (продления срока службы), пункты и условия погрузки- выгрузки.

Анализ технической документации включает: проверку нали­чия паспорта на полувагон и электронного паспорта и правиль­ность их заполнения; проверку соответствия моделей полуваго­нов, на которые распространяется методика; определение сроков проведения плановых ремонтов; изучение конструкторской доку­ментации на полувагон; сбор данных об отказах за срок службы полувагона.

Идентификация полувагона заключается в проверке соответс­твия: нанесенных на полувагон знаков и трафаретов — действую­щим требованиям; полувагона — заявке (сетевой и заводской но­мера); номенклатуры перевозимых грузов — требованиям норма­тивной документации; конструкции полувагона — нормативной и технической документации, а также в готовности полувагона к проведению диагностирования.

На втором этапе с целью выявления несоответствий конструк­торской документации вследствие эксплуатационных поврежде­ний и ремонтов, таких как наличие трещин, изменение размеров и формы элементов, коррозии и других видимых дефектов, а также некомплектности и наличия деталей, не предусмотренных конст­рукторской документацией, осуществляется наружный и внут­ренний осмотр. Для определения утонения элементов рамы, ко­торое возникло в процессе эксплуатации полувагона, проводится исследование коррозионного износа при помощи ультразвуковой толщинометрии (УЗТ).

С целью обнаружения внутренних и поверхностных дефектов в сварных соединениях и основном металле применяется нераз­рушающий контроль.

Также с целью обоснования выбора вида и объема ремонта для восстановления ресурса и приведения полувагона в работос­пособное состояние для установления возможности продления срока службы осуществляется анализ повреждений полувагона. Для выявленных неисправностей проводится экспертная оцен­ка причин их появления: неисправности, возникшие в процес­се эксплуатации; неисправности, вызванные конструктивными недоработками или дефектами производства; неисправности, вызванные несоблюдением правил эксплуатации. При анализе повреждений выявляются дефекты и повреждения, которые в мо­мент контроля не являются критическими, но могут за период планируемой эксплуатации достичь значений, выходящих за пре­делы допустимых.

На третьем этапе выполняется оценка и прогнозирование ос­таточного срока эксплуатации полувагона после проведения ре­монта на основании расчетов или испытаний. При определении остаточного срока службы экспериментальным путем проводятся испытания полувагона в наихудшем техническом состоянии и де­лается расчет ресурса по напряжениям, полученным при испы­таниях.

При определении остаточного срока службы расчетным пу­тем проводятся расчеты прочности, устойчивости и остаточно­го ресурса, которые должны выполняться в соответствии с Нор­мами. [4].

Расчет прочности проводится с использованием специализи­рованного программного вычислительного комплекса, реализую­щего метод конечных элементов (МКЭ), согласно рекомендации Норм [4]. Для описания конструкции полувагона применяются пространственные пластинчатые восьмиузловые конечные эле­менты (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид расчетной модели полувагона с сеткой конечных элементов

При расчете прочности принимаются следующие допущения: материал конструкции работает в упругой стадии деформиро­вания и обладает постоянными механическими характеристика­ми — модулем упругости, равным 2,1·10⁵ МПа, и коэффициентом Пуассона, равным 0,3.

Расчет прочности конструкции полувагона проводится в соот­ветствии с расчетными режимами согласно Нормам [4]. Оценка прочности конструкции полувагона осуществляется путем срав­нения расчетных эквивалентных напряжений с допускаемыми величинами [σ].

В качестве исходной принимается минимальная толщина листов, учитывающая реальную толщину на момент проведения диагностирования, а также скорость коррозии элементов конс­трукции по результатам толщинометрии, прогнозируемый кор­розионный износ металла за вновь назначенный срок службы полувагона и изменения в конструкции, которые внесены после ремонта полувагона.

С целью прогноза коррозионного износа элементов полуваго­на специалистами инженерного центра вагоностроения проведе­ны дополнительные исследования по определению фактической скорости коррозии, которые показали, что фактическая скорость коррозии меньше нормативной. Поэтому в методике используют­ся данные о прогнозировании коррозионного износа, полученные в результате исследования (рис. 3).

Рис. 3. Нормативная и фактическая скорость коррозии основных несущих элементов полувагона

Оценка устойчивости конструкции производится в соответст­вии с Нормами [4] для наиболее неблагоприятных сочетаний рас­четных нагрузок по формуле

где σ_кр и t_кр — критические напряжения сжатия и сдвига; 

σ и t — напряжения сжатия и сдвига элемента из расчета на прочность.

Оценка остаточного ресурса Т_к выполняется в соответствии с Нормами [4] по известной формуле:

В качестве исходных данных для расчета усталостной про­чности используются значения динамических напряжений в ис­следуемых точках конструкции полувагона, полученные по ре­зультатам расчета прочности или испытаний.

Расчет проводится по наиболее нагруженным в эксплуатации элементам. С целью определения таких элементов проведено об­следование, на основании которого приняты элементы конструк­ции, для которых рассчитывается остаточный ресурс. Обследова­ние проведено по 307 полувагонам с истекшим сроком службы. При этом определялась вероятность отказа элементов Pi (i = 1, 2, З...N, где N— количество элементов) (см. рис. 4) по формуле

где к — количество обследованных вагонов;

R_H — количество неисправных элементов одного типа в вагоне; 

R — общее количество элементов одного типа.

Рис.4. Вероятность отказа наиболее повреждаемых элементов

Для каждого выбранного элемента полувагона рассчитывается свой срок службы Ткi (i = 1, 2, З...N, где N— количество элементов). Остаточный срок службы определяется как минимальное значение из множества сроков службы, полученных в результате расчета для каждого выбранного элемента

На четвертом этапе экспертная организация оформляет техни­ческое решение, на основе которого полувагоны либо исключают­ся из инвентарного парка, либо срок их службы продлевается.

Таким образом, усовершенствованная методика позволяет проводить работы по определению срока безопасной эксплуа­тации полувагонов двумя путями. Первый путь — расчетный, основанный на расчетах конструкции конкретного полувагона. Второй путь — экспериментальный, когда на основании резуль­татов испытаний полувагона определяют напряжения в конструк­ции, которые используются в расчете ресурса.

По разработанной методике определен остаточный срок служ­бы нескольких партий полувагонов, по которым имеются согла­сованные технические решения о продлении сроков службы.

Анализ результатов выполнения данных работ показал, что 85% полувагонов могут быть допущены в эксплуатацию после проведения капитального ремонта, из них у 90% срок службы мо­жет быть продлен на 5 лет, у 9% — на 4 года, у 1 % — менее 3 лет (рис. 5). 

Рис. 5. Распределение вагонов по сроку продления

Однако следует иметь в виду, что высокая стоимость капитального ремонта для данного типа подвижного состава при­водит к превышению стоимости года эксплуатации отремонти­рованного вагона по сравнению с аналогичным показателем для нового вагона, что значительно снижает экономическую эффек­тивность продления срока службы. Поэтому для каждого вагона рекомендуется оценивать целесообразность проведения данного вида ремонта с точки зрения экономической эффективности.

ЛИТЕРАТУРА

1.   Битюцкий А. А. Капитальный ремонт полувагонов с заменой кузова / А. А. Битюцкий, К. И. Рыжов, А. Е. Афанасьев // Вагоны и вагонное хозяйство.— 2006.— № 3 (7).— С. 39-42

2.   Бочкарев Н. А. Такой ремонт нам больше не нужен // Гудок - 2006.— 24 марта.

3.   ДонченкоА. В. Диагностика грузового и пассажирского под­вижного состава/А. В. Донченко, Ю. А. Трубачев, К. В, Назарен­ко //X Международная конференция. Проблемы механики ж.д. тр-та : тезисы докл.— Днепропетровск, 2000.— С. 173-174

4.   Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируе­мых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоход­ных).—М.: ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. —317 с.

Содержание Сборники научных трудов