УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ ОЦІНКИ І ПРОГНОЗУВАННЯ РЕСУРСУ БУКСОВИХ ВУЗЛІВ ВАНТАЖНИХ ВАГОНІВ НОВОГО ПОКОЛІННЯ : СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА БУКСОВЫХ УЗЛОВ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

brief description

Міністерство освіти і науки України
Українська державна академія залізничного транспорту

На правах рукопису

ПЕТУХОВ ВАДИМ МИХАЙЛОВИЧ

УДК 629.4.027.11:681.518.5

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ ОЦІНКИ І ПРОГНОЗУВАННЯ РЕСУРСУ БУКСОВИХ ВУЗЛІВ ВАНТАЖНИХ ВАГОНІВ НОВОГО ПОКОЛІННЯ

05.22.07 – рухомий склад залізниць та тяга поїздів

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Науковий керівник
Борзилов Іван Дмитрович,
кандидат технічних наук, доцент

Харків – 2013

СПИСОК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ
АРПКС Авторегресія проінтегрована ковзна середня
АСДК-Б Автоматична система діагностичного контролю букс
БВ Буксовий вузол
БДС Буксова діагностична станція
ВНДІЗТ Всесоюзний науково-дослідний інститут залізничного транспорту
ІЧ Інфрачервоне випромінювання
ЛПК Лінійний пункт контролю
МПК Мікропроцесорний комплект
ПТО Пункт технічного обслуговування
РС Рухомий склад
СКНБ Система контролю нагріву букс пасажирських вагонів
СТД Система технічної діагностики
СТК Система теплового контролю
ТО Технічне обслуговування
УЗ Державна адміністрація залізничного транспорту України Укрзалізниця
УкрДАЗТ Українська державна академія залізничного транспорту
УкрНДІВ Державне підприємство "Український науково-дослідний інститут вагонобудування"
УрДУШС Уральський державний університет шляхів сполучення

ЗМІСТ
ВСТУП 5
РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ ВИКОНАНИХ РОБІТ ТА ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ 12
1.1 Аналіз основних пошкоджень та відмов буксових підшипникових вузлів вантажних вагонів 14
1.2 Аналіз методів і засобів контролю технічного стану буксових вузлів вагонів під час руху поїзда 23
1.3 Аналіз досліджень, присвячених проблемам оцінки технічного стану та прогнозування залишкового ресурсу буксових вузлів при русі поїзда 45
1.4 Висновки за розділом 1 50
РОЗДІЛ 2 РОЗРОБКА КОМПЛЕКСУ МАТЕМАТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ДІАГНОСТИЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ БУКСОВИХ ВУЗЛІВ ВАНТАЖНИХ ВАГОНІВ НОВОГО ПОКОЛІННЯ 52
2.1 Розробка структури діагностичного забезпечення буксових вузлів вантажних вагонів нового покоління 52
2.2 Створення діагностичної моделі буксового вузла для використання в системі вбудованого контролю букс 55
2.3 Розробка моделі визначення технічного стану буксового вузла в експлуатації із використанням вбудованих засобів контролю 59
2.4 Визначення поняття "передвідмовний стан буксових вузлів" 72
2.5 Висновки за розділом 2 77
РОЗДІЛ 3 РОЗРОБКА МОДЕЛІ ПРОГНОЗУВАННЯ ЗАЛИШКОВОГО РЕСУРСУ БУКСОВОГО ВУЗЛА, ЩО ЗНАХОДИТЬСЯ У ПЕРЕДВІДМОВНОМУ СТАНІ 79
3.1 Вибір прогнозної моделі для визначення залишкового ресурсу буксового вузла при русі поїзда 80

3.2 Адаптація моделі до прогнозування залишкового ресурсу буксового вузла 87
3.3 Діагностична перевірка запропонованої прогнозної моделі на адекватність 92
3.4 Висновки за розділом 3 99
РОЗДІЛ 4 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ВБУДОВАНОЇ СИСТЕМИ КОНТРОЛЮ БУКСОВОГО ВУЗЛА 100
4.1 Система контролю технічного стану буксових вузлів для вантажних вагонів нового покоління 100
4.2 Результати випробувань системи контролю технічного стану буксових вузлів для вантажних вагонів БДС 103
4.3 Результати експлуатаційних випробувань БДС в умовах ПАТ «Полтавський ГЗК» 109
4.4 Розрахунок економічного ефекту від застосування вбудованої системи контролю технічного стану буксових вузлів 110
4.5 Висновки за розділом 4 129
ВИСНОВКИ 131
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 133
ДОДАТОК А Акти впровадження 148
ДОДАТОК Б Алгоритми роботи модулів………..…………...……………….150
ДОДАТОК В Таблиці економічних розрахунків…………...……….…………153
ДОДАТОК Г Матеріали випробувань....………………...…………………159

ВСТУП
Безперебійне функціонування залізничного транспорту не лише за-безпечує між господарчі зв’язки між різними галузями народного госпо-дарства, а є також запорукою економічної безпеки держави.
Однією зі найважливіших складових залізничного транспорту є парк вантажних вагонів. Впровадження вагонів нового покоління дозволяє за рахунок підвищеної надійності не лише збільшити безпеку руху, але й зменшити собівартість перевезення вантажів. Але використання подібних вагонів вимагає розробки комплексу заходів по підтриманню їх технічного стану на необхідному рівні, в тому числі по визначенню технічного стану буксових вузлів під час руху поїзда.
Актуальність теми
Особливе значення для забезпечення безпеки руху на залізничному транспорті має висока надійність буксових вузлів рухомого складу. По-шкодження цих вузлів, що не виявлені своєчасно, можуть призвести до важких наслідківсходу вагонів внаслідок зламу шийок осей колісних пар при русі поїзда. Кількість таких серйозних інцидентів на залізницях України за останні п’ятнадцять років склало 35 випадків. Частка відчеплень вагонів внаслідок несправності буксових вузлів за період 2002 - 2012 роки склало близько 38,4%.
Попередження таких випадків можливо лише за умови раннього та своєчасного виявлення дефектів елементів буксових вузлів. Тобто конт-роль технічного стану буксових вузлів в умовах експлуатації є важливою складовою забезпечення безпеки руху.
Перспективи створення сучасних конкурентоспроможних вантажних вагонів вимагають не лише підвищення конструкційних швидкостей та збільшення навантаження на вісь, але і забезпечення пробігу буксових вуз-лів до 1 млн км без проведення ремонту (так звані вагони нового поколін-ня, що обладнані буксовими вузлами з дворядними конічними підшипни-ками касетного типу). Крім того, ці вагони мають різноманітні конструкції ходових частин, в яких використовуються підшипники різних виробників з різними мастилами. Тому існуючі системи контролю не забезпечують в достатній мірі необхідний рівень оцінки технічного стану букс цих вагонів. Ця проблема особливо актуальна тому, що частка таких вантажних вагонів поступово зростає.
Також не вирішеним завданням залишається визначення залишково-го ресурсу букси, у якої був виявлений дефект під час руху поїзда. Це обу-мовлено тим, що більшість дослідників орієнтувалися тільки на контроль букс дистанційними засобами теплового контролю, які не дозволяють із заданою вірогідністю визначати технічний стан вузла на майбутній інтер-вал часу. Тому тема дисертації, що спрямована на удосконалення методів та засобів оцінки і прогнозування ресурсу буксових вузлів вантажних ва-гонів нового покоління в експлуатації для перспективного рухомого скла-ду, є актуальною і має вагоме значення для технічного переозброєння пар-ку вантажних вагонів України.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами
Дисертаційна робота виконана згідно з "Комплексною програмою оновлення залізничного рухомого складу України на 2008-2020 роки" (за-тверджена Наказом Міністра транспорту та зв’язку України від 14 жовтня 2008 р. № 1259), науково-дослідними роботами за темами: "Розробка сис-теми визначення технічного стану буксових вузлів вбудованими система-ми контролю на ходу поїзда" (№ ДР 0112U000710), "Дослідна експлуатація вбудованої системи контролю буксових вузлів вагонів на шляху прямуван-ня та розробка рекомендацій щодо застосування даної системи на вантаж-ному рухомому складі" (№ ДР 0112U007565).
Мета і задачі дослідження
Метою роботи є удосконалення методів та засобів оцінки і прогнозу-вання ресурсу буксових вузлів вантажних вагонів нового покоління.
Виходячи із цього в дисертаційній роботі поставлені такі задачі:
 визначити основні діагностичні ознаки відмов буксових вузлів вантажних вагонів, які призводять до транспортних подій;
 виконати порівняльний аналіз існуючих систем контролю техніч-ного стану буксових вузлів в експлуатації та визначити найбільш ефектив-ний;
 запропонувати структуру діагностичного забезпечення буксових вузлів вантажних вагонів нового покоління;
 створити комплекс взаємозв’язаних моделей для розробки діаг-ностичного забезпечення буксових вузлів вантажних вагонів нового поко-ління;
 запропонувати прогнозну модель визначення залишкового ресур-су буксового вузла;
 на основі запропонованого діагностичного комплексу моделей розробити структуру вбудованої системи контролю;
 розробити програму-методику та провести натурні випробування системи контролю технічного стану для буксових вузлів вантажних ваго-нів нового покоління.
Об'єкт дослідження  процес контролю технічного стану буксового вузла.
Предмет дослідження  методи та засоби оцінки і прогнозування ресурсу буксових вузлів з касетними конічними підшипниками.
Методи дослідження
Для вирішення поставлених задач теоретичні дослідження виконува-лись на основі системного підходу з використанням методів теорії ймовір-ності та математичної статистики, теорії розпізнавання образів, методів технічної діагностики, прогнозування на основі часових (динамічних) ря-дів.
Експериментальні дослідження виконувались в умовах реальної екс-плуатації вантажних вагонів на станції Основа Південної залізниці й Пол-тавського гірничозбагачувального комбінату.
Достовірність отриманих результатів визначено зіставленням ре-зультатів теоретичних та експериментальних досліджень.
Наукова новизна одержаних результатів
В дисертаційній роботі вирішено науково-прикладне завдання щодо визначення технічного стану буксових вузлів вантажних вагонів, які обла-днані касетними конічними підшипниками та прогнозування їх залишко-вого ресурсу в експлуатації шляхом використання вбудованих засобів кон-тролю.
Вперше:
 запропоновано модель оцінки технічного стану буксового вузла вбудованими засобами контролю, в яку введено додаткова ознака розпі-знавання - залежність температури букси від частоти обертання колісної пари, яка дозволяє більш достовірно оцінити технічний стан буксового ву-зла;
 обґрунтовано і дано визначення передвідмовного стану буксового вузла, що дозволяє почати процедуру прогнозування його залишкового ре-сурсу при русі поїзда;
 запропоновано математичну модель прогнозування залишкового ресурсу буксового вузла, що перебуває у передвідмовному стані, за допо-могою інформації по температурі, наданої вбудованими засобами контро-лю при русі поїзда.
Дістали подальшого розвитку:
 теплова модель буксового вузла, яка враховує не швидкість поїзда, а частоту обертання колісної пари, що дозволяє використовувати її неза-лежно від діаметра підшипника і діаметра колеса;
 модель визначення технічного стану буксових вузлів вантажних вагонів, де враховуються особливості дворядних конічних підшипників касетного типу, що обладнані вбудованими засобами контролю.
Практичне значення одержаних результатів
Процедури визначення технічного стану та контролепридатності бу-ксових вузлів вантажних вагонів, що обладнані дворядними конічними пі-дшипниками касетного типу, використовується у ПАТ "Крюківський ваго-нобудівний завод" при проектуванні ходових частин вагонів нового поко-ління.
Методика прогнозування залишкового ресурсу буксових підшипни-кових вузлів вантажних вагонів, які оснащені дворядними конічними під-шипниками касетного типу та вбудована система контролю технічного стану буксових вузлів для вагонів нового покоління рекомендовано до впровадження Державною адміністрацією залізничного транспорту Укрза-лізницею на залізницях України.
Отримані положення використовуються в навчальному процесі Української державної академії залізничного транспорту для підготовки спеціалістів та магістрів спеціальності "Вагони та вагонне господарство" при вивченні дисциплін "Надійність і технічна діагностика залізничного рухомого складу", "Основи технічного обслуговування вагонів", "Інфор-маційні технології у вагонному господарстві", при виконанні науково-дослідних робіт студентів, у дипломному проектуванні студентів та магіс-трів.
Практичне впровадження результатів роботи підтверджується відпо-відними актами впровадження, які наведені в додатках до дисертаційної роботи.
Особистий внесок здобувача
Всі положення та результати, які виносяться на захист, були отрима-ні автором самостійно. У роботах, які опубліковані в співавторстві, дисер-танту належать: аналіз теплової моделі буксового вузла [98]; аналіз мето-дів контролю букс вбудованими засобами [99]; обґрунтування визначення передвідмовного стану букс вагонів [104]; розробка програми-методики випробувань [105]; розробка структури пристрою для моніторингу букс [112]; розробка процедури контролю технічного стану букс вбудованими засобами [111].
Дослідження, що висвітлені в усіх наукових працях, проводилися в Українській державний академії залізничного транспорту.
Апробація результатів дисертації
Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися і отримали схвалення на таких конференціях:
 на VIII і Х науково-практичних конференціях "Безпека руху поїз-дів" (м. Москва, 2007, 2009 рр.);
 ХХХIV науково-технічній конференції викладачів, аспірантів і співробітників Харківської національної академії міського господарства (м. Харків, 2008 р.);
 69 Міжнародній конференції "Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту" (м. Дніпропетровськ, 2009 р.);
 ХVІI Міжнародній науково-практичній конференції НТУ «ХПІ» (м. Харків, 2009 р).
Повністю дисертаційна робота доповідалася та була позитивно оці-нена:
 на розширеному засіданні кафедри вагонів Української державної академії залізничного транспорту за участю членів спеціалізованої ради (м. Харків); науково-технічній раді Українського науково-дослідного ін-ституту вагонобудування (м. Кременчук); засіданні кафедри вагонів та ва-гонного господарства Державного економіко-технологічного університету транспорту (м. Київ).

Публікації
За темою дисертації опубліковано 15 наукових праць, у тому числі 9 наукових статей (зокрема 5 з них без співавторів) у виданнях, що затвер-джені Міністерством освіти і науки України, 1 патент на винахід, 5 тез до-повідей.
Структура та обсяг дисертації
Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, спис-ку використаних джерел та чотирьох додатків і викладена на 160 сторін-ках, з яких обсяг основного тексту 130 сторінок, містить 11 таблиць та 38 рисунків. Список використаних джерел нараховує 112 найменувань.

bibliography

87. A. Schöbel, M. Pisek, J. Karner "Hot box detection systems as a part of automated train Observation in Austria". Vortrag: EURNEX - ZEL 2006, Zili-na; 30.05.2006 - 31.05.2006; in: "Towards the competitive rail systems in eu-rope", (2006), 8080705518; S. 157-161.
88. Approved Code of Practice -Hot Axle Bearing GE/RC8514. Detection Published by: Railway Safety Evergreen House 160 Euston Road London NW1 2DX © Copyright 2001 Railway Safety.
89. Pelino W.M. Hot box detectors //Railway Signalling and Communications. - 1964.-№2.
90. Povse H. Hot box detector VA-HOA 350 // Railway International. -1992.- P.183-184.
91. Rotternsteiner U. VAE - HOA 400 DS - Heißlaufenortunganlagen für fini-sche Hochgeschwindigkeitsstrecken //Signal+Draht-2003. № 7- 8. S. 6-10..
92. Schöbel, A. "Ansatz zur wirkungsvollen Positiionierung von Zuglauf-überwachungseinrichtungen". Signal&Draht, 97 (2005), 9; S. 21 - 24
93. Schöbel, A., Karner, J. Optimierungspotenziale bei der Stationierung von Heißläuferortungsanlagen. ETR - Eisenbahntechnische Rundschau, 54 (2005), 12; S. 805 - 808.
94. Schöbel, J. Karner "Über die Anwendung der heißläuferortungsanlagen bei den ÖBB". Kroatische Eisenbahn, 4 (2005), 4; S. 45 - 46
95. V. Müller. The development box bearings. – Railway Technical Review, 2003, № 1, р. 18–21.
96. Fee М.С., Anderson G.B. Preventive medicine for bearings// Railway Age. - 1995. - №4. - P. 67-68, 70-73.
РОБОТИ ЗА УЧАСТЮ АВТОРА
97. Петухов В. М. Основні задачі бортової системи автоматичного кон-тролю букс на ходу поїзда / В. М. Петухов // Зб. наук. праць. – Харків: УкрДАЗТ, 2007. – Вип. 86. – С. 84 – 91.
98. Борзилов И. Д. Тепловые информационные зоны букс подвижного состава / И. Д. Борзилов, В. М. Петухов // Зб. наук. праць. – Донецьк: ДонІЗТ. – 2007. – Вип. № 10 − С. 78 – 84.
99. Регеда В. В. Анализ методов контроля букс грузовых вагонов на ходу поезда / В. В. Регеда, В. М. Петухов // Зб. наук. праць. – Харків: Ук-рДАЗТ, 2007. – Вип. 84. – Ч. 3. – С. 94–98.
100. Петухов В. М. Буксовая диагностическая станция / В. М. Петухов // Зб. наук. праць. − Донецьк: ДонІЗТ, 2008. – Вип. № 13.– С. 96 – 101.
101. Петухов В.М. Статистические характеристики телеметрических сигналов букс / В. М. Петухов // Восточно–Европейский журнал передо-вых технологий. – 2009. – № 1/6 (37). – С. 20 – 23.
102. Петухов В. М. Аналіз температурних ознак розпізнавання несправ-них букс / В. М. Петухов // Зб. наук.праць. – Харків: УкрДАЗТ, 2009. – Вип. № 107. – С. 128 –132.
103. Петухов В. М. Прогнозирование остаточного ресурса буксы / В. М. Петухов // Зб. наук. праць. – Донецьк: ДонІЗТ, 2010. – Вип . № 21 – С. 173–177.
104. Петухов В. М. Визначення передвідмовного стану буксового вузла вбудованими засобами контролю / В. М. Петухов, І. А. Точка // Зб. наук. праць. – Харків: УкрДАЗТ, 2012. – Вип. № 133 – С. 162 – 167.
105. Мартынов И. Э. Натурные испытания встроенной системы контро-ля технического состояния буксовых узлов / И. Э. Мартынов, В. М. Пе-тухов // Мир транспорта. – 2013. – № 2. – С. 180–182.
Додатково матеріали дисертаційної роботи викладено в роботах:
106. Обеспечение безопасности скоростного движения поездов борто-выми диагностическими станциями / И. Д. Борзилов, В. М. Петухов // Труды VIII Научно–практической конференции "Безопасность движения поездов" (Москва, 2007 г.). – М.: МИИТ, 2007. – С. II.1.
107. Усовершенствование технологии контроля буксовых узлов на ходу поезда / Петухов В. М. // Городской электротранспорт, электроснабжение и освещение городов: Программа и тезисы докладов. ХХХIV научно–техническая конференция преподавателей, аспирантов и сотрудников Харьковской национальной академии городского хозяйства (Харьков, 2008 г.). Ч. 2. – Харьков: ХНАГХ, 2008. – С. 46 – 48.
108. Повышение точности и достоверности контроля буксовых узлов с помощью бортовых буксовых диагностических станций / Петухов В. М. // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: Те-зисы 69 Международной научно–практической конференции (Днепропе-тровск, 2009г.) – Днепропетровск: ДИИТ, 2009. – С. 45.
109. Система контролю букс бортовими діагностувальними станціями / В. М. Петухов // Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я: Матеріали ХVІI Міжнародної науково–практичної кон-ференції (Харків, 2009 р). Ч. 1. – Харків: НТУ «ХПІ», 2009. – С. 217.
110. Система мониторинга и прогнозирования технического состояния буксового узла в эксплуатации / Петухов В.М. // Труды Х Научно–практической конференции "Безопасность движения поездов" (Москва, 2009 г.). – М.: МИИТ, 2009. – С. VII.23.
111. Обеспечение безопасности скоростного движения поездов борто-выми диагностическими станциями / И. Д. Борзилов, В. М. Петухов // Труды VIII Научно–практической конференции "Безопасность движения поездов" (Москва, 2007 г.). – М.: МИИТ, 2007. – С. II.1.
112. Пат. 87333Україна, МПК В61К 9/00 Пристрій для моніторингу температури букс залізничних вагонів. Патент на винахід / Борзи-лов І. Д., Петухов В. М., Ходаківський А. М., Михалків С. В.; заявник і патентовласник Українська державна академія залізничного транспорту. − № а 200704308; заявл.19.04.07; опубл. 10.07.09, Бюл. № 13.