Порядок выполнения работы. 3.1. Анализ надежности заданного узла единицы подвижного состава

3.1. Анализ надежности заданного узла единицы подвижного состава

Выполнение данного раздела курсовой работы предусматривает работу студента с технической литературой: учебниками, справочниками, нормативно-технической документацией. При анализе надежности узла студенту следует рассмотреть следующие вопросы:

3.1.1. Назначение узла, силы действующие на него.

Материал следует проиллюстрировать поясняющими рисунками.

3.1.2. Параметры при проектировании и допускаемые в эксплуатации.

Параметры узла привести в табличной форме

Таблица 1

Параметры узла

Элементы и их параметры	Размеры
При изготовлении	Допускаемые в эксплуатации

3.1.3. Виды технических обслуживаний и ремонтов узла.

Виды технических обслуживаний и ремонтов узла представить в виде таблицы. Следует также привести схему структуры ремонтного цикла.

Таблица 2

Виды технического обслуживания и ремонта вагонов (ТО и Р)

Наименование

Место проведения технического обслуживания и ремонта

Обнаруживаемые неисправности

3.1.4. Предельные состояния и отказы узла.

Отказы узла представить в виде таблицы.

Таблица 3

Отказы буксового узла

Вид отказов

Неисправности узла

3.1.5. Перечень регламентирующих документов.

3.1.6. Преимущества и недостатки конструкции узла.

Дополнительно в данный раздел можно включить описание узлов подвижного состава зарубежных железных дорог, включая описание конструкции, привести сравнение технических характеристик.

3.2 Построение блок-схемы и расчет надежности узла

Конечной целью расчета надежности технических систем является оптимизация конструктивных решений и параметров, режимов эксплуатации, организация технического обслуживания и ремонтов. Поэтому уже на ранних стадиях проектирования важно оценить надежность объекта, выявить наиболее ненадежные узлы и детали, определить наиболее эффективные меры повышения показателей надежности. Решение этих задач возможно после структурно-логического анализа системы, который начинается с построения блок-схемы надежности узла. Для построения блок-схемы необходимо определить, из каких элементов состоит узел и в какой последовательности соединены между собой его элементы.

Например колесная пара – система, состоящая из трех последовательно соединенных элементов: оси, колеса левого, колеса правого.

Блок-схема надежности колесной пары (рис. 5) состоит из трех элементов, последовательно соединенных, так как элементы не являются взаимозаменяемыми.

колесо

колесо…колесо

ось

Рис. 1 Блок-схема надежности колесной пары

Записать формулу вероятности безотказной работы узла в соответствии с блок-схемой.

Вероятность безотказной работы колесной пары Р к.п определяется по формуле

Р к.п = Р кол * Р кол* Р оси, (1)

где Р кол – вероятность безотказной работы колеса;

Р оси – вероятность безотказной работы оси.

3.3. Определение показателей надежности детали на стадии

проектирования

Вероятность безотказной работы является основным показателем надежности детали, который означает, что в пределах заданной наработки не произойдет ни одного отказа.

3.3.1. Расчет сопротивления усталости.

Для деталей, работающих в условиях длительного и интенсивного воздействия динамических нагрузок, должен производиться расчет на сопротивление усталости при многоцикловом нагружении. Расчет выполняется с учетом вероятностного рассеивания характеристик сопротивления усталости детали и случайного характера ее динамического нагружения.

При расчете принимается, что:

– критерием отказа детали является появление развивающейся трещины длиной 10–15 мм;

– кривая усталости имеет вид σ _i ^m * Ni =const во всем диапазоне долговечностей (число циклов Ni);

– при суммировании учитывается спектр повреждающих амплитуд динамических напряжений, при этом используется гипотеза линейного суммирования повреждений в виде Σ(ni /Ni) = a (для большинства деталей подвижного состава a = 1);

– не учитывается асимметрия циклов динамических напряжений, влияние которой на накопление усталостных повреждений реальных конструкций мало.

Расчет сопротивления усталости производится по коэффициенту запаса по формуле:

где – предел выносливости (по амплитуде) натурной детали при симметричном цикле и установившемся режиме нагружения на базе испытаний N ₀. Для корпусных несущих деталей база испытаний принимается, как правило, равной N ₀ = 10⁷ циклов;

– расчетная величина амплитуды динамического напряжения условного симметричного цикла, приведенная к базе N ₀, эквивалентная по повреждающему действию реальному режиму эксплуатационных случайных напряжений за проектный срок службы детали;

[ n ] – допускаемый коэффициент запаса сопротивления усталости.

Предел выносливости детали может теоретически определяться с помощью теории подобия усталостного разрушения, в основе которой лежит соответствие между характеристиками сопротивления усталости образцов материала и деталей сложной геометрической формы, при учете технологических факторов.

Предел выносливости натурной детали (узла, конструкции) можно определить экспериментально путем проведения ускоренных стендовых испытаний.

Тогда расчетное значение определяется по формуле:

где - среднее (медианное) значение предела выносливости натурной детали;

– квантиль распределения, соответствующий односторонней вероятности P; полагая, что – случайная величина, имеющая нормальный закон распределения, для основных несущих деталей

рекомендуется принимать P = 0,95 и = 1,645;

–коэффициент вариации предела выносливости.

Для деталей из углеродистых, низколегированных и нержавеющих сталей коэффициент вариации предела выносливости имеет следующие значения:

Тип конструкции	коэффициент вариации предела выносливости
для сварных рам и балок из листового и фасонного проката при автоматической сварке под слоем флюса и в среде защитного газа	0,05
то же при полуавтоматической и ручной сварке	0,07
для зон приварки к балкам кронштейнов и других деталей ручной варкой	0,10
для стальных отливок	0,10
для зон приварки литых деталей к прокатным и наоборот	0,12

Для предварительных расчетов допускается определять по формуле:

где - среднее (медианное) значение предела выносливости гладкого стандартного образца из материала детали (по ГОСТ 25.502–79) при симметричном цикле изгиба на базе N ₀ (предел выносливости допускается условно принимать равным 0,6 );

- среднее значение общего коэффициента снижения предела выносливости данной натурной детали по отношению к пределу выносливости стандартного образца.

Величина определяется по справочным данным, для наиболее употребительных сталей значения предела выносливости приведены в приложении 2. При отсутствии справочных данных можно использовать следующие эмпирические зависимости среднего предела выносливости от нормативных (минимальных) величин предела прочности :

– для проката и поковок из малоуглеродистых и низколегированных сталей 0,5 ;

– для стального литья 0,45 ;

– для алюминиевых сплавов 0,4 .

Значения определяются по экспериментальным данным для аналогичных деталей. Для некоторых типичных элементов значения приведены в приложении 3.

3.3.2. Расчет вероятности безотказной работы.

Вероятность безотказной работы определяется для модели постепенного отказа усталостного характера без ограничения ресурсов. Должно действовать условие, что лишь небольшая часть амплитуд динамических напряжений превышает предел выносливости. Расчет вероятности безотказной работы производиться на основе гипотезы о смешении выносливости деталей вследствие перегрузок по формуле:

где – функция Лапласа (приложение 1);

– коэффициент вариации предела выносливости, ;

– относительный коэффициент запаса, ;

где – значение, определяемое по номограмме в зависимости от показателей степени, кривой усталости и коэффициента вариации динамических напряжений в случае нормального распределения динамических напряжений, ;

– допустимый коэффициент запаса сопротивления усталости,

,

где – среднее значение амплитуды от эксплуатационных нагрузок, ;

– коэффициент вариации амплитуд динамических напряжений, =0,25;

– максимальная расчетная квантиль, ;

– коэффициент вариации предела выносливости для стальных отливок, ;

3.3.3. Расчет долговечности

Долговечность узла – свойство узла сохранять работоспособное состояние до предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Долговечность конструкции характеризуется временными показателями: «срок службы» или «технический ресурс». Различают назначенные показатели долговечности и фактические, наблюдаемые в эксплуатации.

Для различных элементов конструкции показатели долговечности могут нормироваться и оцениваться либо, как продолжительность работы до планового ремонта, либо, как полный срок службы до замены элемента или списания.

Оценка проектного срока службы узла по критерию усталостной долговечности при многоцикловом динамическом нагружении производится по формуле:

(3.3.1)

где - предел выносливости (по амплитуде) натурной детали при симметричном цикле и установившемся режиме нагружения на базе испытаний циклов;

- показатель степени в уравнении кривой усталости; - базовое количество циклов нагружения, при которых определяем ; - центральная(эффективная) частота процесса

- коэффициент, зависящий от степени обрессоренности рассчитываемого элемента; - ускорение свободного падения;

- статический прогиб рессорного подвешивания;

- коэффициент перевода календарного расчетного срока службы во время непрерывного движения в секундах

- проектный среднесуточный пробег вагона км/сутки; - средняя техническая скорость движения, м/c;

- расчетная амплитуда динамических напряжений в -том элементе при средней скорости -того интервала;

- вероятность появления амплитуды с уровнем .

Для деталей, долговечность которых определяется износом, средний срок службы элемента определяется по формуле:

, (5.4)

где - расчетная допускаемая величина износа (линейное уменьшение размера детали в направлении нормали к исходной поверхности);

- начальный (номинальный) и предельно допустимый в эксплуатации размеры элемента.

Если работоспособность сопряжения деталей определяется зазором между сопряженными поверхностями элементов, то

,

где - предельно допустимая и начальная (номинальная проектная) величина конструктивного зазора.

- средняя интенсивность (скорость) изнашивания детали мм/t.

Оценка среднего срока службы новой конструкции при наличии данных по сроку службы конструкции – аналога производится по формуле:

, (5.5)

где - средний срок службы конструкции-аналога до предельного состояния;

- доля отказов конструкции-аналога по неисправности -го элемента (или -той зоны повреждения);

- число элементов новой (проектируемой) конструкции, подвергшихся изменениям;

- долговечность -го элемента (или -той зоны повреждения) конструкции-аналога и новой конструкции. Определяются экспериментальным расчетным или экспертным путем.

3.3.4. Расчет параметра потока отказов.

В общем случае параметр потока отказов определяется:

,

где - удельное (в расчете на один вагон, локомотив) количество отказов данного типа за расчетный период эксплуатации;

- средняя наработка за расчетный период эксплуатации до первого деповского ремонта (в годах, км пробега, ткм брутто, пасс. км перевозочной работы и т.п.).

По аналогичной формуле определяется параметр потока отказов унифицированных узлов: тележек, автосцепных устройств, узлов тормозного оборудования и их деталей:

,

где - удельное (на один вагон, локомотив) количество отказов данного узла за расчетный период эксплуатации;

- средняя наработка вагона за расчетный период эксплуатации до первого деповского ремонта, рекомендуется исчислять в км пробега, т*км и пасс*км перевозочной работы.

При анализе безотказности вагон, локомотив рассматривается как сложная механическая система, состоящая из «n» последовательно соединенных в смысле надежности расчетных частей (узлов, сборочных единиц), каждая из которых включает «m» последовательно соединенных деталей, при этом отказ каждой детали ведет к отказу расчетной части, а отказ каждой расчетной части – к отказу вагона. В качестве расчетных частей рекомендуется принимать функциональные узлы, в том числе унифицированные, имеющие самостоятельную техническую документацию. На рис.1 приведена структурная схема для расчета надежности.

. (4.3)

Параметр потока отказов для такой системы

, (4.4)

где - параметр потока отказов -той расчетной части вагона;

- параметр потока отказов -того элемента -той расчетной части (узла).

Определение параметра потока отказов новой, усовершенствованной части (узла) при наличии данных по отказам такой же части аналога производится по формуле:

,

где - параметр потока отказов -той расчетной части аналога;

- коэффициент(доля) отказов - той части аналога по отказам - того элемента

,

где и параметры потока отказов -го элемента -той расчетной части - того нового элемента и -го элемента аналога соответственно. Определяются расчетным или экспериментальным путем.

- количество элементов новой конструкции подвергшихся изменениям.

3.3.5. Расчет показателей ремонтопригодности при проектировании

Показатели ремонтопригодности рассчитываются при проектировании исходя из состава регламентных работ при техническом обслуживании и плановых видах ремонта, ожидаемых величины параметра потока отказов, распределения отказов вагонов по отдельным видам в процессе эксплуатации за период до первого планового капитального ремонта и типовых пооперационных нормативов трудозатрат при обслуживании и ремонте вагонов.

В зависимости от характера требований к показателям ремонтопригодности, установленных в техническом задании или технических условиях, рассчитываются или суммарные оперативные трудозатраты на все виды ТО, ТР и ДР за период до капитального ремонта, или их среднегодовое значение (либо удельные значения на единицу наработки).

Суммарные оперативные трудоемкости технических осмотров и деповских ремонтов определяются по формулам:

; (6.1)

,

где - длительность ремонтного цикла (период до капитального ремонта;

- длительность эксплуатации между ТО и ДР;

- наименование -той регламентной работы по контролю, регулировке, замене, обслуживанию при ТО и ДР;

и - количество регламентных работ при ТО и ДР;

и - трудозатраты (время, стоимость) -той работы при ТО и ДР;

- параметр потока отказов вагона по -той неисправности, подлежащей устранению при ТО (осредненный на протяжении ремонтного цикла);

- количество наименований отказов, устраняемых в ТО;

- удельное число -тых отказов, подлежащих устранению при ДР, осредненные по всем ДР за период оценки показателей ремонтопригодности (на протяжении ремонтного цикла);

и - трудозатраты (время, стоимость) устранения -того отказов, в том числе плановых замен элементов при ТО и ДР.

Объединенная удельная оперативная трудоемкость (время, стоимость) ТО и ДР в общем случае рассчитывается по выражению:

,

где - количество технических обслуживаний на протяжении ремонтного цикла;

- количество деповских ремонтов на протяжении ремонтного цикла;

- длительность ремонтного цикла (лет).

3.4. Определение показателей надежности детали во время эксплуатации

Показатели надежности детали во время эксплуатации определяют, испытывая деталь на прочность.

Государственным стандартом определены следующие планы испытаний:

1. При естественных условиях эксплуатации.

2. Ускоренные (интенсивные при полной загрузке и по наиболее сложному профилю).

При разработке плана испытаний определяются следующие параметры:

N ₀ – количество изделий, поставленных на испытание;

R – характеристика изделия;

Т – период окончания испытания (наработка, после которой прекращается испытание);

r – испытание заканчивается при достижении отказов r изделий;

N – испытание заканчивается, когда все N ₀ изделия откажут.

При определении надежности невосстанавливаемых деталей план испытаний имеет вид

[ N ₀; R; Т ].

Для деталей вагонов и локомотивов берем Т равное 12 месяцам.

Временную сетку выбираем 12 интервалов, через 1 месяц. При определении надежности восстанавливаемой детали план испытаний имеет следующий вид:

[ N ₀; h; Т ],

h – количество восстанавливаемых деталей.

Результаты испытаний следует занести в ведомость испытаний.

По результатам испытаний определяют показатели надежности детали:

1) ti – наработка изделия;

2) n (Δ t) – количество отказов в интервале времени Δ t;

3) N_i – суммарное количество отказов на момент времени t;

4) для восстанавливаемых деталей определяется:

– статистическая оценка средней наработки на отказ

– статистическая оценка среднего времени восстановления

где – время восстановления;

Nв – количество восстанавливаемых деталей;

– параметр потока отказов

5) вероятность безотказной работы (считается для каждого интервала):

6) частота отказов

Результаты расчетов следует свести в таблицу.

Таблица

Интервал	ti	n(Δt)	ni	ti n(Δt)	P(t)	f(t)	λ(t)
0-1
1-2
...
∑

По результатам расчета вероятности безотказной работы, частоты и интенсивности отказа строятся графики.

3.4. Разработка мероприятий по повышению надежности детали.

На основе изученного материала предыдущих разделов и проведенного анализа следует рассмотреть основные направления повышения надежности заданного узла:

1. Технологическое направление – это применение более совершенных технологических процессов производства и ремонта.

2. Конструкционное направление – это применение объектов с высокой надежностью, которая обеспечивается самой конструкцией объекта.

3. Эксплуатационное направление связано с применением технических средств диагностики, которые обеспечивают вывод объекта из эксплуатации в ремонт по фактическому состоянию объекта.

Технологическое направление связано с изменением химического состава и термообработки изделия, восстановлением трущихся поверхностей наплавкой, обеспечением правильности сборки (взаимное расположение элементов), обеспечением правильности контакта пар трения и т. д.

Конструкционное направление связано с изменениями конструкции, в результате которых повышается надежность объектов.

Расчетные зависимости для определения основных характеристик надежности ТС показывают, что надежность системы зависит от ее структуры (структурно-логической схемы) и надежности элементов. Поэтому для сложных систем возможны два пути повышения надежности: повышение надежности элементов и изменение структурной схемы.

Повышение надежности элементов представляется наиболее простым приемом повышения надежности системы. Действительно, теоретически всегда можно указать такие характеристики надежности элементов, чтобы вероятность безотказной работы системы удовлетворяла заданным требованиям. Однако практическая реализация такой высокой надежности элементов может оказаться невозможной.

Изменение структуры системы с целью повышения надежности подразумевает два аспекта.

С одной стороны, это означает перестройку конструктивной или функциональной схемы системы (структуры связей между составными элементами), изменение принципов функционирования отдельных частей системы. С другой стороны, изменение структуры понимается как введение в систему дополнительных, избыточных элементов, включающихся в работу при отказе основных. Применение дополнительных средств и возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов называется резервированием.

Принцип резервирования подобен параллельному соединению элементов и соединению типа «n из m», где за счет избыточности возможно обеспечение более высокой надежности системы, чем ее элементов.

Выделяют несколько видов резервирования (временное, информационное, функциональное). Для анализа структурной надежности системы интерес представляет структурное резервирование – введение в структуру объекта дополнительных элементов, выполняющих функции основных элементов в случае их отказа.

Классификация различных способов структурного резервирования осуществляется по следующим признакам.

1. По схеме включения резерва:

– общее резервирование, при котором резервируется объект в целом;

– раздельное резервирование, при котором резервируются отдельные элементы или их группы;

– смешанное резервирование, при котором различные виды резервирования сочетаются в одном объекте.

2. По способу включения резерва:

– постоянное резервирование, без перестройки структуры объекта при возникновении отказа его элемента;

– динамическое резервирование, при котором при отказе элемента происходит перестройка структуры схемы, подразделяется:

а) на резервирование замещением, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного;

б) на скользящее резервирование, при котором несколько основных элементов резервируется одним или несколькими резервными, каждый из которых может заменить любой основной (т. е. группы основных и резервных элементов идентичны).

3. По состоянию резерва:

– нагруженное резервирование, при котором резервные элементы (или один из них) находятся в режиме основного элемента;

– облегченное резервирование, при котором резервные элементы (по крайней мере один из них) находятся в менее нагруженном режиме по сравнению с основными;

– ненагруженное резервирование, при котором резервные элементы до начала выполнения ими функций находятся в ненагруженном режиме.

Основной характеристикой структурного резервирования является кратность резервирования – отношение числа резервных элементов к числу резервируемых ими основных элементов, выраженное несокращаемой дробью (типа 2:3; 5:2 и т. д.). Резервирование одного основного элемента одним резервным (т. е. с кратностью 1:1) называется дублированием.

Количественно повышение надежности системы в результате резервирования или применения высоконадежных элементов можно оценить по коэффициенту выигрыша надежности, определяемому как отношение показателя надежности до и после преобразования системы. Например, для системы из n последовательно соединенных элементов после резервирования одного из элементов (k -го) аналогичным по надежности элементом, коэффициент выигрыша надежности по вероятности безотказной работы составит

Эффективность резервирования (или другого приема повышения надежности) тем больше, чем меньше надежность резервируемого элемента. Следовательно, при структурном резервировании максимального эффекта можно добиться при резервировании самых ненадежных элементов (или групп элементов).

Прогрессивным и экономически выгодным направлением повышения надежности является эксплуатационное, т. е. изменение условий эксплуатации, которое приводит к повышению надежности:

– эксплуатация «по состоянию», т. е. вывод в ремонт, производится по фактическому состоянию узлов;

– применение технических средств диагностики (ТСД), которые позволят прогнозировать ресурс изделия;

– изменение условий эксплуатации, т. е. условий загрузки-выгрузки, торможения, условия взаимодействия пар трения, методы технического обслуживания и ремонта.

Дата добавления: 2015-04-30