Прогнозирование остаточного ресурса и продление срока службы вагонов метрополитена тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Борисов, Сергей Владимирович

• Борисов, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Борисов, Сергей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Обзор и анализ исследований по прогнозированию остаточного ресурса вагонных конструкций.

1.2 Постановка задач исследования.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ВАГОНОВ МЕТРОПОЛИТЕНА.

2.1 Основные принципы конструктивного построения и анализ парка вагонов метрополитена.

2.2 Разработка программы и методики технического диагностирования вагонов метрополитена с целью продления срока их службы.

2.3 Планирование вычислительного эксперимента и методика оценки остаточного ресурса

2.4 Выводы по разделу 2.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ВАГОНОВ МЕТРОПОЛИТЕНА.

3.1 Разработка конечно-элементной расчетной схемы вагона метрополитена типа Е, силовых и кинематических граничных условий.

3.2 Проведение вычислительного эксперимента по оценке прочности, надежности и долговечности кузова и рамы вагона типа Е.

3.3 Обоснование и выбор конструктивных предложений по повышению остаточного ресурса вагонов метрополитена, и результаты работ по продлению их срока полезного использования.

3.4 Выводы по разделу 3.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ, НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВАГОНА МЕТРОПОЛИТЕНА ТИПА Е.

4.1 Разработка методики проведения экспериментальных исследований вагона метрополитена типа Е.

4.2 Модернизация испытательного оборудования для проведения исследований вагонов метрополитена. ^

4.3 Результаты экспериментальных исследований и

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогнозирование остаточного ресурса и продление срока службы вагонов метрополитена»

Актуальность проблемы. Метрополитен - городская внеуличная железная дорога, обладающая большой пропускной способностью и удовлетворяющая потребность населения в быстром, удобном и безопасном передвижении. В России насчитывается 11 крупных городов, где используется подземный транспорт.

В настоящее время в Санкт-Петербургском метрополитене эксплуатируется электроподвижной состав типов Е, Ем и модели 81-ой серии. На сегодняшний день нормативный срок службы у 36% вагонов инвентарного парка истек, а к концу 2015 года эта цифра может увеличиться до 64%. Эксплуатация такого подвижного состава запрещена действующими нормативными документами. Вагоны метрополитена, выработавшие нормативный срок эксплуатации, подлежит исключению из инвентарного парка, а выделяемые финансовые средства для обновления рабочего парка вагонов поступают в ограниченном количестве. Отсутствие систематического пополнения вагонного парка новым подвижным составом уже сейчас привело к значительному старению вагонов метрополитена, увеличению эксплуатационных и ремонтных затрат, снижению показателей безопасности движения.

Учитывая, что электроподвижной состав метрополитена проходит регулярное техническое обслуживание, эксплуатируется в условиях защиты от внешних атмосферных осадков и не испытывает продольных нагрузок, превышающих 0,4.0,5 МН (вследствие малой составности и распределения тягового усилия по длине состава), было выдвинуто предположение о наличии остаточного ресурса для единиц подвижного состава метрополитена, не подвергшихся аварийным сверхнормативным нагрузкам в процессе эксплуатации.

Предполагается, что прогнозирование остаточного ресурса, и продление сроков службы вагонов метрополитена путем выбора рациональных конструктивных решений по повышению ресурса и усиление элементов конструкции вагонов позволит существенно снизить расходы на пополнение вагонного парка в ближайшей перспективе и обеспечить необходимые, все возрастающие объемы перевозок.

Для решения этой проблемы в диссертации была сформулирована цель проводимых исследований.

Цель работы: Прогнозирование и целенаправленное управление остаточным ресурсом вагонов метрополитена, позволяющее осуществлять безопасную эксплуатацию вагонов за пределами их нормативного срока службы.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. Установлены закономерности изменения технического состояния вагонов метрополитена, учитывающие особенности их конструкций и условия эксплуатации.

2. Разработана методика прогнозирования остаточного ресурса вагонов метрополитена, создан и апробирован алгоритм определения их остаточного ресурса.

3. На основе разработанного плана вычислительного эксперимента проведена оценка напряженно-деформированного состояния вагона метрополитена типа Е и установлены закономерности изменения показателей прочности, надежности и долговечности вагонов за пределами нормативного срока их эксплуатации.

Практическая значимость работы.

Разработанный алгоритм проведения технического диагностирования позволяет локализовать критические места в конструкции вагонов метрополитена типа Е и Ем. По результатам проведенного вычислительного эксперимента и натурных испытаний, были разработаны и обоснованы конструктивные предложения по повышению остаточного ресурса.

Разработанный при участии автора ремонтный бюллетень (ЕМ 4469 БР, утвержденный и согласованный со службой Подвижного состава Санкт-Петербургского метрополитена) на усиление кузова вагонов метрополитена на основе выбора оптимальных вариантов восстановления и усовершенствования конструкции позволяет продлевать полезный срок службы вагонов метрополитена типа Е, Ем не менее, чем на 6 лет.

Разработанные автором Технические условия (ТУ 3182-022-442977742004) проведения ремонта вагонов типа Е, Ем с продление срока службы утверждены и согласованы со службой Подвижного состава Санкт-Петербургского метрополитена и внедрены во всех электродепо города.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований были использованы при проведении комплекса работ по техническому диагностированию с целью оценки остаточного ресурса вагонов Санкт-Петербургского метрополитена. На основе результатов работы была создана конструкторско-технологическая документация по ремонту вагонов метрополитена с продлением срока их службы. По разработанным автором диссертации Техническим условиям произведен ремонт и продлен срок службы вагонам типа Е и Ем Санкт-Петербургского метрополитена в количестве 459 единиц.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: «Подвижной состав 21 века (идеи, требования, проекты) (ПГУПС, Санкт-Петербург, 2005 г.), «Шаг в будущее (Неделя науки)» (ПГУПС, Санкт-Петербург, 2004, 2005, 2006 г.г.), «Проблемы механики железнодорожного транспорта. Динамика, надежность и безопасность подвижного состава» (г. Днепропетровск, Украина, 2004 г.), на международной научно-практической конференции «Удовлетворение потребностей населения в пассажирских перевозках - неотъемлемая составляющая часть плана социально-экономического развития больших городов» (г. Харьков, Украина, 2005г.), на совещаниях представителей служб Подвижного состава метрополитенов СНГ и заводов-изготовителей вагонного оборудования (ОА «КВСЗ», г. Кременчуг, Украина, 2005 г.; «ЗРЭПС», г. Москва, Россия, 2006 г.), на научных семинарах кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ПГУПС (2005, 2006 г.г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 4 главы, заключение и изложена на 135 страницах машинописного текста, в том числе 26 таблиц и 88 рисунка. Список используемых источников насчитывает 111 наименований.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Борисов, Сергей Владимирович

4.5 Выводы по разделу 4:

1. Г То результатам визуального осмотра, после проведенного комплекса испытаний, конструкция вагона метрополитена типа Е, №3187, прошедшего ремонт согласно «Ремонтному бюллетеню.», не претерпела остаточных деформаций;

2. Напряжения в опасных зонах конструкции (локальных концентраторах) после усиления при ремонте снизились почти в 2 раза.

3. По результатам испытаний полученные суммарные напряжения от нагрузки брутто и от ударных нагрузок в конструкции вагона, прошедшего ремонт, в исследуемых точках в целом не превышают допускаемые величины, согласно «Норм,.» [63].

4. По результатам произведенной оценки остаточного ресурса можно сделать вывод о том, что срок службы вагона метрополитена 1964 года постройки после ремонта составляет не менее 6 лет дальнейшей эксплуатации.

5. Максимальное расхождение между результатами экспериментальных исследований и теоретических расчетов составило не более 18%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИИ

В диссертации выполнен комплекс исследований по оценке остаточного ресурса и продлению срока службы вагонов метрополитена. На основании выполненной работы было сделано следующее заключение

1. Создан обобщенный алгоритм технического диагностирования вагонов метрополитена существующих типов и разработаны программа и методика технического диагностирования вагонов метрополитена, позволяющая проводить оценку реального текущего технического состояния и прогнозировать остаточный ресурс этого вида подвижного состава.

2. Выполнен статистический анализ основных неисправностей обследованных вагонов Санкт-Петербургского метрополитена, и установлено, что наиболее частыми из них является коррозия продольной балки рамы и обшивки кузова.

3. Создана конечно-элементная модель вагона метрополитена типа Е, позволившая на ее основе провести уточненную оценку напряженно-деформированного состояния кузова вагона при задании различных кинематических и силовых граничных условий.

4. Проведены теоретические исследования прочности, устойчивости и долговечности вагонов метрополитена типа Е, позволившие установить, что максимальные напряжения, действующие в хребтовой балке рамы вагона при первом расчетном режиме нагружения превышают нормативные и эта зона конструкции вагона требует усиления. По результатам расчетов с усиленной конструкцией рамы был сделан вывод о том, что требования прочности, устойчивости и долговечности обеспечиваются.

5. Разработана и внедрена во всех электродепо Санкт-Петербурга технология проведения ремонта с продлением срока полезного использования вагонов метрополитена типа Е и Ем, позволяющая продлить срок службы этого вида подвижного состава от 4 до 19 лет после истечения нормативного срока эксплуатации.

6. Разработаны методики проведения статических и ударных ресурсных испытаний вагонов метрополитена типа Е и модернизировано испытательное оборудование для проведения испытаний.

7. Проведенные испытания подтвердили выводы теоретических исследований, а сопоставление результатов теории и эксперимента показало, что максимальное расхождение между ними не превышают: 18% - для продольной балки рамы, 10% - для хребтовой балки рамы, 16% - для скорости изменения коррозии элементов конструкции кузова и рамы вагона метрополитена.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Борисов, Сергей Владимирович, 2006 год

1. Бате К., Вильсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1982. - 447с.

2. Бачурин Н.С. Методика исследования нагруженности и прочности гибких армированных конструктивных элементов вагонов // Динамика вагонов: Межвуз. Сб. науч. Тр. СПб.: ПИИТ, 1993. с.8-17.

3. Бачурин Н.С. Нагруженность шкворневых узлов трамвайного вагона // Подвижной состав XXI века: Сб. статей IV науч.-технич. Конф. СПб.: ПГУПС, 2005.-с. 12-14.

4. Бачурин Н.С. Применение кинетической теории для оценки длительной прочности противокоррозионных покрытий вагонных конструкций // Вестник Академии транспорта / Уральское межрегиональное отделение. -Курган: Из-во Курганского гос. Ун-та, 2000. с.239-241.

5. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978. -234с.

6. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. - 312с.

7. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990.- 448с.

8. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1996.- 346с.

9. Болотин В.В., Набойщиков С.М. Теория датчиков повреждения и счетчиков ресурса. В кн.: Расчеты на прочность. - М.: Машиностроение, 1983. вып. 24. с.79-94.

10. Бороненко Ю.П. и др. Применение ЭЦВМ для решения задач по расчету вагонов на прочность. Л.: ЛИИЖТ, 1979. - 43с.

11. Бороненко Ю.П., Третьяков A.B., Сорокин Г.Е. Расчет узлов вагонов на прочность МКЭ. Учебное пособие и руководство к пользованию учебным пакетом программ. Л.: ЛИИЖТ, 1991. - 39с.

12. Бреббиа К., Уокер С. Применение метода граничных элементов в технике. М.: Мир, 1982. - 248с.

13. Бребия К., Телес Ж., Вроубел JI. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987. - 524с.

14. Булавский В.А., Звягина P.A., Яковлева М.А. Численные методы линейного программирования. М.: Наука, 1977. - 368с.

15. Буренин В.А. Прогнозирование индивидуального остаточного ресурса стальных вертикальных резервуаров. Автореферат диссертации доктора техн. наук. Уфа: УГНТУ, 1994. - 45с.

16. Быков А.И. Применение метода конечных элементов к расчету грузовых вагонов. В сб.: Вопросы строительной механики кузовов вагонов. -Тула: 1977.

17. Вальд А. Последовательный анализ. М.: Физматгиз, 1960. - 328с.

18. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1988.-552с.

19. Вериго М.Ф. Повышение осевых нагрузок и перспективные конструкции грузовых вагонов /М.Ф. Вериго, JI.A. Шадур// Железные дороги мира. 1995. №5. - с.3-7.

20. Влияние средних напряжений и деформаций на малоцикловую усталость сталей А-517, А-201/И. Дюбук, И. Ванассе, А. Бирон и др, Труды Американского общества инженеров-механиков, 1970. Конструирование и технология машиностроения, № 1, с.38 - 54.

21. Вороненок О.М., Палий О.М., Сочинский C.B. Метод редуцированных элементов для расчета конструкций. . Л.: Судостроение, 1990. - 224с.

22. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. Пер. с анг. М.: Мир, 1984.-428с.

23. Галлагер. Методы получения матриц жесткости элементов. М.: В сб.: Ракетная техника и космонавтика, 1963, вып. 6. - с.187-189.

24. Горицкий В.М., Гречишкин В.И. Техническое диагностирование стальных сварных резервуаров с использованием УЗК и методамагнитной памяти металла // Безопасность труда в промышленности, -2000. №2. - с.41-44.

25. ГОСТ 25.101-83 Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций, и статистического представления результатов. М.: Госстандарт, 1984. - 12с.

26. ГОСТ 25859-83 Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках. М.: Госстандарт, 1984. - 14с.

27. Длин A.M. математическая статистика в технике. М.: Советская наука, 1958.-466с.

28. Дмитриев В.И. Вопросы экономики вагонного парка. М.: Трансжелдориздат, - 1958. - 292с.

29. Добров Г.М. и др. Экспертные оценки в научно-техническом прогнозировании. Киев.: Наукова думка, 1974. - 159с.

30. Добров Г.М., Коренной A.A., Мусиенко В.Б. Прогнозирование и оценка научно-технических нововведений. Киев: Наукова думка, 1985. - 280с., ил.

31. Добровольская Э.М. Электропоезда метрополитена: Учебник для нач. проф. образования. М.: ИРПО: Издательский центр "Академия", 2003.

32. Долматов A.A., Кудрявцев H.H. Динамика и прочность четырехосных железнодорожных цистерн. М.: Труды ЦНИИ МПС, 1963, вып. 263. -124с.

33. Дубов A.A. Диагностика трубопроводов и сосудов с использованием метода магнитной памяти // Безопасность труда в промышленности 1997. -№ 6. с.27-32.

34. Дубов A.A., Демин Е.А., Миляев А.И., Стеклов О.А.Контроль за напряженно-деформированным состоянием газопроводов с использованием различных методов // Безопасность труда в промышленности 2002. № 2. - с.9-12.

35. Железное И.Г. Сложные технические системы. М.: Высшая школа, 1984. -119с.

36. Железнов И.Г., Семенов Г.П. Комбинированная оценка характеристик сложных систем. М.: Машиностроение, 1976. - 54с.

37. Жовинский А.Н., Жовинский В.Н. Инженерный экспресс-анализ случайных процессов. М.: Энергия, 1979. 112с.

38. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. -541с.

39. Инструкция по ультразвуковому контролю нахлесточных сварных швов. Утверждено ЦВ МПС РФ 03.12.1993.

40. Инструкция по ультразвуковому контролю стыковых сварных швов. Утверждено ЦВ МПС РФ 03.12.1993.

41. Капиничев В.П. Метрополитены. М.: Транспорт, 1988.

42. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. Изд. 2-е, испр. М.: Едиториап УРСС, 2004. -272с.

43. Ковалевич О.М., Карпунин Н.И. Принципы уточнения ресурса безопасной эксплуатации конструкций и трубопроводов ядерной техники // Безопасность труда в промышленности 1997. № 6. - с. 18-26.

44. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машиностроение, 1977. - 232с.

45. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин. М.: Высшая школа, 1991. - 319с.

46. Когаев В.П., Махутов H.A., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность долговечность: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. - 224с., ил.

47. Колмогоров В. JI. Напряжение, деформация, разрушение. М.: Металлургия, 1970. - 230с.

48. Котельников B.C., Анисимов B.C., Зарецкий A.A. Остаточный ресурс грузоподъемных кранов // Безопасность труда в промышленности 1998. -№ 2. с.2-4.

49. Котельников B.C., Зарецкий A.A., Короткий A.A., Еремин Ю.А. Концепция оценки остаточного ресурса металлических конструкций грузоподъемных кранов, отработавших нормативный срок службы // Безопасность труда в промышленности 2000. № 10. - с.41-46.

50. Котельников B.C., Зарецкий A.A., Самойлов С.С., Федоров И.Г., Свиридов В.В.Алгоритм оценки выработки грузоподъемным краном нормативного срока службы // Безопасность труда в промышленности 1998. -№ 8. с.38-42.

51. Котельников B.C., Попов Б.Е., Зарудный A.B., Левин Е.А., Безлюдько Г.Я. Магнитная диагностика и остаточный ресурс подъемных сооружений // Безопасность труда в промышленности 2001. № 2. - с.44-52.

52. Котуранов В.Н. и др. Нагруженность элементов конструкции вагона. М.: Транспорт, 1991.-238с.

53. Крылов В.И., Попков В.В. Монастырный П.И. Численные методы. В 4-х т. Минск: Наука и техника, 1983.

54. Кудрявцев И.А. Применение метода конечных элементов для расчета конструкций на транспорте. Учебное пособие. Гомель. 1985. - 67с.

55. Кулешов В.В., Сохрин П.П. Расчет остаточного ресурса мостового крана //Безопасность труда в промышленности 2001. № 1. - с.35-51.

56. Литвин В.Д. Моделирование развития вагонного парка и оптимизация его перспективной структуры // Моделир. Систем и процессов упр. На трансп.: Всес. конф., М.: Окт.1991. с.118-119.

57. Махутов H.A. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1981. - 272с.

58. Митрофанов A.B., Киченко С.Б.Расчет гамма-процентного ресурса сосудов и резервуаров // Безопасность труда в промышленности 2000. № 9. - с.28-34.

59. Митрофанов A.B., Киченко С.Б.Сравнение результатов расчета остаточного ресурса резервуата с поверхностными коррозионными дефектами // Безопасность труда в промышленности 2001. № 7. - с.27-28.

60. Мозгалевский A.B., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика. М.: Высшая школа, 1975. - 208.с.

61. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. М.: Машиностроение, 1974. - 344с.

62. Нормы для расчета и проектирования механической части новых и модернизируемых вагонов метрополитенов СССР колеи 1520 мм. М.: ВНИИВ-ВНИИЖТ-ММЗ, 1987 г., 120с.

63. Нормы расчета на прочность элементов реакторов, парогенераторов, сосудов и трубопроводов атомных электростанций, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок. М.: Металлургия, 1973.-458с.

64. Обследование технического состояния кузовов вагонов ЕжЗ и разработка предложений по продлению срока их службы не менее, чем на 15 лет. Отчет о НИР, рук. работ Петров В.Д., Москва, ВНИИЖТ 1998 г., 85с.

65. ОСТ 24.050.37-84 Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества.

66. ОСТ 32.55-96 Система испытаний подвижного состава. Требования к составу, содержанию, оформления и порядку разработки программ и методик испытаний и аттестации методик испытаний. М.: Госстандарт, 1996.-21с.

67. Пастухов И.Ф., Пигунов В.В. Расчет вагонных конструкций методом конечных элементов. Учебное пособие. М.: МИСИ, 1984. - 124с.

68. Петров В.А. Новая система экспресс определения ресурса промышленного оборудования "ОРК" // Безопасность труда в промышленности 1997. - № 8. - с 31-36.

69. Постнов В.А., Дмитриев С.А., Елтышев Б.К., Родионов A.A. Метод суперэлементов в расчетах инженерных сооружений. Л.: Судостроение, 1979.-287с.

70. Постнов В.А., Таратуха H.A. Метод модуль-элементов в расчетах судовых конструкций. Л.: Судостроение, 1990. - 320с.

71. Прогностика. Общие понятия. Объект прогнозирования. Аппарат прогнозирования. М.: Наука, 1978. 32с.

72. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968. - 288с.

73. Развитие и обобщение методов исследования напряженного состояния несущих элементов вагонов: Отчет/МИИТ; Руководитель работы В.Н. Котуранов. Инв. № Б 601091. - М., 1977. - 59с.

74. Расчет вагонов на прочность /Под ред. Л.А. Шадура/ М.: Машиностроение, 1978. - 432 с.

75. РД 03-421-01. Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов. М.: Госгортехнадзор России, 2002. 136с.

76. РД 09-102-95 Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных Госгортехнадзору России. М. - 1995. - 11с.

77. РД 10-112-5-97 Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. М. - 1997. - 54с.

78. РД 10-112-96 Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы // Безопасность труда в промышленности 1998. № 4. - с 43-86.80