Совершенствование системы ремонта и технического обслуживания пассажирского вагона на основе киберфизической модели управления его жизненным циклом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Шинкарук Андрей Сергеевич

• Шинкарук Андрей Сергеевич
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Шинкарук Андрей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ РАБОТ ПО РЕМОНТУ И ТЕХНИЧЕСКОМУ ОБСЛУЖИВАНИЮ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ В РОССИИ И МИРЕ

1.1 Основные термины и их определения

1.2 История и социальная роль пассажирского сообщения

в Российской Федерации

1.2.1 Социальная роль становления пассажирского сообщения в мире

и вектор ее направленности

1.2.2 Современное положение пассажирского сообщения

в дальнем следовании в России

1.2.3 Перспективы развития пассажирских перевозок в России

1.2.4 Концепция развития парка пассажирских вагонов

локомотивной тяги

1.2.5 Структура управления в пассажирском комплексе

1.2.6 Анализ системы ремонта и технического обслуживания рельсового подвижного состава в различных организациях транспортной системы

1.3 Система технического обслуживания и ремонта пассажирских вагонов

1.4 Анализ динамики изменения парка пассажирских вагонов

1.5 Тенденции и предпосылки развития диагностирования систем технического состояния подвижного состава

1.5.1 Развитие систем диагностирования

1.5.2 Система диагностирования на различных типах

железнодорожного подвижного состава

1.5.3 Опыт зарубежных компаний по мониторингу подвижного состава, используемого в пассажирском сообщении

1.5.4 Опыт мониторинга отечественных компаний пассажирского подвижного состава локомотивной тяги

1.5.5 Система технического диагностирования при проведении планового ремонта и обслуживания подвижного состава

1.5.6 Инфраструктурные системы диагностирования подвижного состава

1.6 Анализ влияния системы технического (сервисного) обслуживания

и планового ремонта на надежность пассажирского подвижного состава

1.6.1 Международная система технического обслуживания и ремонта подвижного состава, курсирующего в пассажирском сообщении

1.6.2 Отечественная история развития обслуживания

и ремонта пассажирского подвижного состава

1.6.3 Обзор научных исследований по оценке ожидаемого остаточного срока службы сложных технических изделий на железнодорожном транспорте

1.6.4 Роль системы диагностирования при эксплуатации пассажирского подвижного состава

1.7 Основные задачи исследования

1.8 Выводы по разделу

2 АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВНИЯ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ, КУРСИРУЮЩИХ В ДАЛЬНЕМ СООБЩЕНИИ

2.1 Постановка задачи моделирования

2.2 Анализ составляющих работы вагона

2.3 Показатели использования пассажирского вагона

2.4 Влияние возраста подвижного состава на его использование

и отвлечения в нерабочем парке

2.5 Анализ и моделирование организации проведения плановых ремонтов пассажирских вагонов

2.6 Анализ и моделирование организации отвлечения вагонов

во внеплановый ремонт

2.7 Выводы по разделу

3 ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО СРОКА СЛУЖБЫ ПАССАЖИРСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

3.1 Оценка остаточного срока эксплуатации пассажирского вагона по результатам толщинометрии его силового каркаса

3.2 Результаты исследования силовых каркасов одноэтажных пассажирских вагонов, достигшие назначенного срока службы

3.3 Результаты исследования силовых каркасов двухэтажных вагонов

3.4 Расчет напряженно-деформированного состояния рамы

пассажирского вагона с применением метода конечных элементов

3.5 Исходные данные для расчета кузова и силового каркаса

двухэтажного пассажирского вагона

3.6 Цифровая платформа для анализа данных толщинометрии

3.7 Оценка изменения сечений элементов силового каркаса одноэтажных пассажирских вагонов до достижения ими прогнозного срока службы 60 лет

с применением метода наименьших квадратов

3. 8 Оценка изменения сечений элементов силового каркаса двухэтажных пассажирских вагонов до прогнозного достижения ими 60 лет

3.9 Выводы по разделу

4 ПРИМЕНЕНИЕ КИБЕРФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАССАЖИРОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И «ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА» НА ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТАДИИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА

4.1 Единая цифровая платформа по сопровождению

пассажирских поездов в пути следования

4.2 Актуализация системы технического обслуживания

и ремонта пассажирских вагонов

4.3 Цифровая трансформация ремонтных позиций

4.4 Применение электронных динамометрических ключей

при ремонте и техническом обслуживании пассажирских вагонов

4.5 Цифровое диспетчерское табло процесса ремонта пассажирских вагонов

4.6 Анализ возникающих отказов при эксплуатации пассажирских вагонов

(на примере двухэтажных вагонов)

4.7 Матрица инцидентов для анализа возникновения и их последствий

4.8 Прогнозирование отказов элементов пассажирского вагона на основе анализа статистических данных цифровой платформы по сопровождению пассажирских поездов в пути следования

4.9 Построение вероятностных моделей отказов сервисного бортового оборудования

4.10 Выводы по разделу

5 ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ

5.1 Существующая система технического обслуживания и ремонта пассажирских вагонов

5.2 Целевая функция оптимизации системы ТОИР

5.3 Решение задачи оптимизации с применением точного метода

5.4 Решение задачи оптимизации с применением метода градиентного спуска

5.5 Оптимизация структуры системы ТОИР и стоимостей ремонтов

крупного объема

5.6 Реализация разработанных методик на «ЭВМ» и результаты расчетов

5.7 Выводы по разделу

6 ФОРМИРОВАНИЕ КИБЕРФИЗИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РЕМОНТА

И ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА

6.1 Существующая система ремонта и технического обслуживания пассажирских вагонов

6.2 Пример управления периодичностью системы ТОИР с адаптацией жизненного цикла элементной базы вагона

6.3 Методика оптимизации периодичности ТОИР с адаптацией в него жизненного цикла элементной базы вагона

6.4 Формирование «цифровых двойников» жизненного цикла пассажирского вагона

6.5 Интеграция цифровизации в ремонт пассажирского вагона, формирование киберфизической модели

6.6 «Цифровой двойник» пассажирского вагона с учетом использования киберфизических моделей, внутренней и внешней интероперабельности

6.7 Киберфизическая модель управления жизненным циклом пассажирского вагона

6.8 Выводы по разделу

7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТОИМОСТИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА И ЛИМИТНОЙ ЦЕНЫ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА В СТРАВНЕНИИ С ПРЕДЛАГАЕМОЙ СИСТЕМОЙ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

7.1 Постановка задачи анализа

7.2 Расчет затрат на проведение ТОИР

7.3 Расчет затрат на оплату труда работников поездных бригад

7.4 Оценка экономии затрат от повышения эффективности

подвижного состава

7.5 Определение лимитной цены и стоимости жизненного цикла

пассажирского вагона с предлагаемой системой ТОИР

7.6 Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж

ПРИЛОЖЕНИЕ И

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование системы ремонта и технического обслуживания пассажирского вагона на основе киберфизической модели управления его жизненным циклом»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В настоящее время железнодорожный транспорт занимает ведущее место на транспортном рынке, обеспечивая до 28 % пассажирооборота и более 80 % грузооборота отечественной транспортной системы. В соответствии с указом Президента Российской Федерации от 07.05.2018 № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» Министерством транспорта разработана долгосрочная программа развития ОАО «РЖД» до 2025 год. Роль железнодорожного транспорта в отечественной экономике по обеспечению перевозок грузов и пассажиров трудно переоценить, она остается по-прежнему очень важной. Существенный рост данных показателей возможно обеспечить за счет повышения технических характеристик подвижного состава, совершенствования системы технического обслуживания и ремонта, а также улучшения эксплуатационных показателей путем внедрения новых технологических решений, а также интеграции процессов с цифровыми модельно-аналитическими, прогнозными и предиктивными программными и комплексами.

Отечественная и мировая практика показывает, что тенденция совершенствования систем технического обслуживания и ремонта подвижного состава (ТОИР) должна учитывать применение новых и более надежных элементов конструкции (особенно сложных технических систем, к которым можно отнести пассажирские вагоны), а также тесно увязываться с внедрением цифровых аналитических систем. Это позволяет обеспечить принципиально иной подход к оценке периодичности обслуживания подвижного состава на различных этапах эксплуатации (использования). Техническое обслуживание и плановые ремонты, в основном, выполняются при достижении определенных пробежных периодов, значительно реже, календарных.

С начала 1990-х годов существует тенденция по передаче сервисного технического обслуживания и плановых ремонтов от эксплуатационной

организации (собственника (оператора) подвижного состава) к изготовителю. Считается, что это позволит управлять надежностью и долговечностью объекта, корректировать и внедрять новые технические и технологические решения на всех этапах жизненного цикла, от проектирования до утилизации. Сокращение простоя в нерабочем парке, внедрение современных методов бортовых, цеховых, инфраструктурных диагностических систем и стендов, а также совершенствование процедур ТОИР на эксплуатационном этапе показывает его коммерческую привлекательность в первую очередь для эксплуатирующей организации по заключении контрактов «жизненного цикла».

Массовое внедрение цифровых технологий, автоматизации бизнес-процессов и искусственного интеллекта позволяют говорить о внедрении и реализации элементов «четвертой промышленной революции» в различных промышленных отраслях. Данное внедрение также целесообразно осуществлять и в отечественном пассажирском комплексе. Также требуется научно-техническая проработка проблемы обоснования периодичности в системе ТОИР пассажирским вагонам с учетом цифровых возможностей мониторинга и диагностики технического состояния элементной базы в режиме реального времени, с внесением соответствующих изменений и корректировок в нормативно-техническую документацию.

Таким образом, решение проблем, связанных с совершенствованием существующей системы ТОИР пассажирских вагонов локомотивной тяги, с учетом внедрения цифровых технологий, диагностирования процессов эксплуатации с использованием программных комплексов, оценкой остаточного ресурса его элементной базы является актуальной.

Степень разработанности темы исследования. Степень разработанности данной тематики исследования очень широка. Основной вклад в решение проблем, связанных с совершенствованием системы планового ремонта и технического обслуживания рельсового подвижного состава, внесли ученые: Болотин М.М., Бороненко Ю.П., Ворон О.А., Горский А.В., Евсеев Д.Г., Иванов А.А., Клюка В.П., Козырев В.А., Куликов М.Ю., Макиенко В.М., Петров Г.И.,

Подшивалова А.Б., Сергеев К.А., Третьяков А.В., Тураева А.В., Устич П.А., Феоктистов В.П., Черкашин Ю.М., Черепанов С.С. и др.

Большой вклад в исследование и изучение вопросов остаточного ресурса подвижного состава и его элементной базы внесли Воробьев А.А., Коссов В.С., Лившиц А.В., Осьмовой Н.И., Савоськин А.Н., Скачков А.Н., Чернышев К.Р. Применительно к нетяговому подвижному составу - Анисимов П.С., Иванов А.А., Мотовилов К.В. и другие ученые.

Диагностированию подвижного состава, совершенствованию системы технического обслуживания и планового ремонта посвящены труды Буйносова А.П., Воротилкина А.В., Головатого А.Т., Космодамианского А.С., Лакина И.К., Пудовикова О.Е., Шантаренко С.Г. и др.

Теоретическим и практическим исследованиям по данной тематике, а также практическим применениям системы управления жизненным циклом железнодорожного подвижного состава занимаются такие корпорации и компании, как Alstom Transport, General Electric Transportation, Siemens Transportation, Синара - Транспортные машины и Трансмашхолдинг.

В данной диссертации развиваются научные основы совершенствования системы ремонта и технического обслуживания пассажирского подвижного состава на эксплуатационной стадии жизненного цикла, управления надежностью с использованием систем технического диагностирования и построения «цифровых двойников».

Объектом исследования является система технического обслуживания и планового ремонта пассажирского подвижного состава.

Предметом исследования являются пути совершенствования системы ремонта и технического обслуживания пассажирских вагонов за счет перехода на киберфизическую модель управления его жизненным циклом.

Целью диссертационного исследования является разработка киберфизической модели управления жизненным циклом пассажирского вагона и усовершенствование системы ремонта и технического обслуживания для повышения эффективности его использования.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1 Проведение анализа отечественного и мирового опыта и тенденций развития системы ремонта пассажирского железнодорожного подвижного состава.

2 Проведение анализа использования существующих систем технического диагностирования в эксплуатации и деповском хозяйстве.

3 Проведение вероятностно-статистического анализа надежности оборудования пассажирских вагонов локомотивной тяги в существующих системах ремонта и технического обслуживания.

4 Проведение анализа показателей надежности, разработке метода расчета на примере непланового ремонта, возникающего в процессе использования пассажирских вагонов различных моделей.

5 Установление основных факторов перехода пассажирских вагонов в нерабочее состояние и отвлечение их из процесса использования по назначению.

6 Определение типов пассажирских вагонов, требующие установления им прогнозного срока службы для возможности их использования в исторической или иной деятельности (при необходимости).

7 Оценка прогнозного остаточного срока службы силового каркаса основных типов пассажирских вагонов.

8 Разработка технологии периодического мониторингового контроля элементов силового каркаса в целях расчета прогнозного ожидаемого остаточного срока службы с возможностью использования вагонов в основной, исторической или иной деятельности (согласно требованиям нормативной документации).

9 Разработка методики обоснования параметров системы технического обслуживания и ремонта пассажирских вагонов с учетом назначенного срока службы оборудования, узлов и деталей.

10 Разработка имитационной модели предлагаемой системы ремонта пассажирских вагонов локомотивной тяги.

11 Разработка киберфизической модели управления жизненным циклом пассажирского вагона.

12 Проведение технико-экономическое обоснования внедрения предлагаемой системы технического обслуживания и ремонта пассажирского вагона.

Научная новизна:

1 Обоснована степень влияния надежности элементной базы различных моделей пассажирских вагонов на эффективность использования в процессе эксплуатации.

2 Разработана методика мониторинга и контроля изменения параметров элементов силового каркаса пассажирского подвижного состава с возможностью дальнейшего использования вагонов для хозяйственных и иных нужд.

3 Разработаны методики интеграции цифровой платформы по сопровождению пассажирских поездов в пути следования, измерения параметров силового каркаса в систему ремонта и технического обслуживания пассажирских вагонов.

4 Разработан пакет программ, обеспечивающих оптимизацию ремонта и технического обслуживания пассажирских вагонов, а также установления потерь в процессе эксплуатации.

5 Разработана киберфизическая модель управления жизненным циклом пассажирского вагона.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработаны: киберфизическая модель управления жизненным циклом пассажирского вагона с использованием диагностических, цеховых, стационарных средств контроля, а также цифровых платформ (интероперабельность автоматизированных систем управления (АСУ), - по проектированию, ремонту, техническому обслуживанию и эксплуатации вагонов); цифровая платформа контроля элементов силового каркаса основных типов пассажирских вагонов; оптимизационная система технического обслуживания и ремонта пассажирских вагонов локомотивной тяги; цифровая платформа анализа отказов бортовых систем, реализованная в Федеральной пассажирской компании; пакет программ по мониторингу использования вагонов, простоя в нерабочем парке, корреляционной зависимости,

при отвлечении для проведения текущего отцепочного и ремонта крупного объема.

Методология и методы исследования. При анализе мировых трендов развития пассажирского комплекса и во всех остальных разделах в качестве базовой использована теория пассажирских вагонов. При анализе использования вагонов применены математические методы теорий статистики, вероятности и надежности, с помощью которых исследованы массивы данных о различных эксплуатационных состояниях. При исследовании возможностей современных методов диагностических, инфраструктурных и цеховых систем использованы методы теорий информатизации, информации и автоматического управления.

При оценке фактического технического состояния силовых каркасов пассажирских вагонов использовались методы теории надежности. При разработке системы поддержки решений (в процессе эксплуатации) по замене и ремонте элементов вагона использовался вероятностно-статистический метод. При разработке оптимизационной системы ремонта и технического обслуживания применены методы цифрового анализа, эвристического моделирования, бережливого производства и менеджмента качества. Для нахождения экстремума целевой функции оптимизационной задачи применен метод градиентного спуска. Для обработки статистических данных и имитационного моделирования отвлечения в нерабочем парке, корреляционной зависимости, использования вагонов специально разработаны программы на языках PHP, JavaScript, Pascal, С++.

Положения, выносимые на защиту:

1 Метод оценки эффективности эксплуатации пассажирских вагонов.

2 Метод прогнозирования отвлечения вагонов путем имитационного моделирования при нахождении их в различных состояниях («в поезде», «в резерве», «в ремонте») с использованием статистических данных.

3 Методика контроля толщины элементов силового каркаса при проведении планового ремонта различных типов пассажирских вагонов.

4 Критерии замены элементов вагона при проведении плановых ремонтов для наиболее эффективного их использования.

5 Киберфизическая модель управления жизненным циклом пассажирского вагона с использованием цифровых двойников и АСУ.

Степень достоверности. Достоверность научных результатов диссертационного исследования обеспечивается обоснованием вероятностных оценок использования, отвлечения, ожидания, выхода из строя оборудования, оценкой возникающих отказов в работе и теоретических исследований с их практической проверкой и апробацией.

Эффективность предложенных решений подтверждается их практической реализацией в структурных подразделениях пассажирского комплекса и проведенным технико-экономическим обоснованием.

Апробация результатов. Основные результаты научного исследования доложены на научных и практических конференциях «Выбор оптимального метода неразрушающего контроля экипажной части пассажирских вагонов АО «ФПК» (г. Москва, 2020), «Разработка автоматизированного комплекса визуального осмотра пассажирских вагонов» (г. Москва, 2020), «Менеджмент качества, транспортная и информационная безопасность, информационные технологии» (г. Ярославль, 2021), «О повышении надежности работы пассажирского подвижного состава» (г. Екатеринбург 2023), «Современные технологии. Технические и естественные науки» (г. Архангельск 2023), «Актуальные вопросы и проблемы контрольно-надзорной деятельности в сфере транспорта: правовое регулирование, административное и судебное применение» (г. Москва 2023), «Труды Ростовского государственного университета путей сообщения» (г. Ростов-на-Дону 2024), «Материалы третьей международной научно-технической конференции «железнодорожный подвижной состав: проблемы, решения, перспективы» (г. Ташкент 2024), «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов»: Материалы УШ всероссийской научно-технической конференции с международным участием» (г. Омск 2024).

1 АНАЛИЗ РАБОТ ПО РЕМОНТУ И ТЕХНИЧЕСКОМУ ОБСЛУЖИВАНИЮ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ В РОССИИ И МИРЕ

1.1 Основные термины и их определения

Используемые в диссертации термины и их соответствующие определения приняты в основополагающих документах по организации ремонта и технического обслуживания пассажирского подвижного состава [18-20, 40, 42, 43100, 130, 149-152, 178-182, 253-255, 321, 327]. При необходимости приводятся пояснения используемым терминам и терминологиям. Основные из них приведены ниже.

Жизненный цикл установлен национальной нормативно-правовой базой [61] и определяется как «совокупность явлений и процессов, повторяющаяся с периодичностью, определяемой временем существования типовой конструкции изделия (в рассматриваемом случае - пассажирский вагон локомотивной тяги) от ее замысла до утилизации или конкретного экземпляра изделия от момента завершения его производства до утилизации» [88]. Также понятие «жизненный цикл» определен в ГОСТ 31539-2012 [61] как «совокупность взаимосвязанных, последовательно осуществимых процессов установления требований к потребительским свойствам и техническим параметрам железнодорожного подвижного состава, а также процессов его создания, применения и утилизации». В данной диссертации рассматриваются этапы жизненного цикла пассажирского вагона локомотивной тяги с момента его поставки в структурное подразделение до момента исключения из инвентарного парка (этапы проектирования, изготовления и утилизации исключены), таким образом, непосредственно применительно к области решаемых задач, жизненным циклом пассажирского вагона локомотивной тяги (ЖЦПВ) принимаем этап его «применение по назначению», а именно это использование в перевозочном процессе, выполнение технического обслуживания и ремонта с поддержанием и

восстановлением его качества, а также отвлечение в нерабочем парке или оперативном резерве и т.д. [6, 130], которое этим же нормативным документом определено как «эксплуатация». Таким образом, в данной диссертации рассматривается стадия эксплуатации в составе жизненного цикла пассажирского вагона локомотивной тяги.

Как следует из существующих определений, «техническое обслуживание и ремонт» - это один из элементов жизненного цикла пассажирского подвижного вагона локомотивной тяги. В соответствии с требованиями ГОСТ 18322-2016 [46], техническое обслуживание - это «комплекс операций по поддержанию работоспособности изделия при использовании его по назначению, ожидании, хранении и транспортировании». А ремонт - это «комплекс операций по восстановлению исправности или работоспособности изделий и восстановлению ресурсов изделий или их составных частей». Фактически, разделить операции по проведению технического обслуживания и ремонта зачастую проблематично. Например, при нахождении пассажирского вагона на позиции деповского ремонта (ДР) порядка 60 % работ требуют выполнения такой операции [20, 180, 181], как осмотр определенного узла и, в случае необходимости, ремонта (смазка, протирка и т.д.). Поэтому далее в диссертации будут использоваться обобщенные понятия технического обслуживания, внепланового и планового ремонта крупного объема как совокупное понятие «Техническое обслуживание» и «Ремонт». Система технического обслуживания и ремонта - это «совокупность взаимосвязанных средств, документации по техническому обслуживанию и ремонту, исполнителей, необходимых для поддержания и восстановления качества изделий, входящих в эту систему». Из вышеизложенных определений следует, что техническое обслуживание и ремонт являются, наряду с полезной работой, основным элементом ЖЦПВ на этапе его фактического использования. Поэтому в работе из всех элементов ЖЦПВ особое внимание будет уделяться «Техническому обслуживанию» и «Ремонту».

Стоимость жизненного цикла пассажирского вагона локомотивной тяги понимается как «суммарные финансовые затраты на осуществление стадии

применения жизненного цикла единицы железнодорожного подвижного состава», что в стандарте трактуется как «значимый элемент стоимости жизненного цикла» [94, 139]. В работе под стоимостью жизненного цикла понимаются работы «Технического обслуживания» и «Ремонта» вагона. Под «управлением стоимостью жизненного цикла» пассажирского вагона, согласно стандарту [98] понимается «выработка и осуществление мер, направленных на изменение стоимости жизненного цикла путем оптимизации договорных условий его поставки, совершенствования системы эксплуатации, определение целесообразных сроков по продлению срока службы или модернизации и списания».

Понятие «диагностирование» принимается согласно ГОСТ 20911-89 [50] как реализация одной из следующих целей: контроль технического состояния, установления места и причины отказа и прогнозирования технического состояния. Под «системой технического диагностирования» (СТД), в свою очередь, целесообразно понимать совокупность средств, объекта и исполнителей, необходимую для проведения диагностирования (контроля) по правилам, установленным в нормативно-технической документации» [50]. СТД наряду с понятиями ЖЦПВ, «Техническим обслуживанием» и «Ремонтом», а также АСУ являются базовыми в данной работе. В диссертации также используются такие понятия, как встроенная и цеховая СТД, которые в ряде случаев отличаются от принятых в нормативной технической документации.

Модель жизненного цикла - «понятие, проработка которого является целью научного исследования». В самом приближенном виде модель - это «абстрактное представление реальности в какой-либо форме (например, в математической, физической, символьной, графической или дескриптивной), предназначенное для представления определенных аспектов этой реальности и позволяющее получить ответы на изучаемые вопросы» [61]. В диссертации рассмотрена и используется функциональная технологическая модель жизненного цикла пассажирского вагона, предназначенная для изучения особенностей ее работы. Функциональные модели могут быть представлены с

различной системой графической визуализации в виде схем, графиков или тестовых описаний.

Средняя наработка на отказ - технический параметр, характеризующий надежность восстанавливаемого прибора, устройства или технической системы. В целом в теории надежности представляет собой отношения суммарной наработки восстанавливаемого объекта к среднему его значению в течении этой наработки [54, 78].

Для реализации поставленной цели по разработке киберфизической модели жизненного цикла пассажирского вагона с использованием современных информационных и систем технического диагностирования определены в рамках нормативного поля и далее используются в описанных значениях.

В тексте используются сокращения, расшифровка которых приведена в конце диссертации в списке сокращений и условных обозначений. Также расшифровка сокращений дается при первом их использовании в самом тексте диссертации.

1.2 История и социальная роль пассажирского сообщения в Российской Федерации

Началом пассажирского движения в России можно назвать 31 января 1838 года с началом ежедневного курсирования двух поездов на конной тяге между Петербургом и Царским Селом [224]. Первый поезд отправлялся из Петербурга в 10 часов, а второй в 19. В обратном направлении поезда выходили в 8 часов и 17 соответственно. Движение с использованием паровозной тяги началось с 4 апреля того же года, ас 22 мая началось курсирование поездов уже до Павловска.

15 мая 1838 года на Царскосельской железной дороге впервые введено расписание движения пассажирских поездов. Поезда одновременно отправлялись как из Царского Села, так и из Петербурга. Начиналось движение в 9 часов,

а заканчивалось в 22. Интервалы между отправлениями поездов составляли 3 - 4 часа.

В том же 1838 году администрация Царскосельской железной дороги установила различные классы обслуживания для пассажиров, всего их было 3. Самым престижным, дорогим и комфортабельным были кареты, получившие название «берлины», они были размещены в закрытых кузовах, имевших отдельные входы с обособленными отделениями и мягкими сиденьями. Повозки открытого типа именовались «шарабанами», а последний класс в виде закрытых повозок назвались «дилижансами». В дальнейшем названия по классам утратилось, и повсеместно сформировался термин «вагон».

Популярность пассажирского сообщения набирало обороты и уже к 1840 -1841 годам по Царскосельской железной дороге было перевезено два с половиной миллиона пассажиров. Количество поездов только за 1841 год составило порядка 4000 с общим пробегом более 107 тысяч километров. По результатам анализа и опыта эксплуатации на данной железной дороге установлен ряд преимуществ железнодорожного транспорта, в том числе, возможность круглогодичной работы [134]. При этом инфраструктура пассажирского комплекса также развивалась и требовала обустройства прилегающих территорий для комфортного ожидания пассажиров перед посадкой в поезд. Так началось строительство вокзалов и железнодорожных платформ.

В частности, в 1846 году началось сооружение двух идентичных зданий вокзалов в Петербурге и Москве. В Петербурге под здание будущего вокзала место нашли сразу на Знаменской площади у Невского проспекта, а в Москве место нашлось только на большом пустыре у Каланчевского поля. Строительство вокзалов Московского в Петербурге и Петербургского в Москве шло одновременно с прокладыванием железной дороги, и в 1849 году сначала было завершено строительство вокзала в Москве, а затем в 1851 году и в Петербурге [134].

Для обеспечения комфортной перевозки пассажиров требовалось организовать изготовление пассажирского подвижного состава. Первыми

предприятиями, начавшими выпуск пассажирского подвижного состава в царской России, стали Александровский, Путиловский и Русско-Балтийский вагонные заводы, а также Ковровские мастерские Московско-Нижегородской железной дороги [17].

Несмотря на массовое изготовление пассажирского подвижного состава в России, частные железные дороги заказывали вагоны и за рубежом - в Австрии, Франции, Великобритании и Германии, которые изготавливались по конструкторской документации заводов этих стран. В 1870 году Министерством путей сообщения Российской империи предложено всем заводам, изготавливавшим подвижной состав, исключить приобретение комплектующих вагонов за рубежом, что привело к тому, что через несколько лет стремительного развития отечественного вагоностроения ряд заводов свернули производство вагонов, в результате число вагоностроительных заводов сократилось до восьми [17,134, 281]. Но, несмотря на это, выпуск подвижного состава продолжился, и набольшее количество построенных пассажирских вагонов в царской России было произведено в 1912 году и составило 2251 единицу.

По состоянию на 1 января 1914 года эксплуатационный парк пассажирских вагонов составил 30 858 вагонов (6740 мягких, 330 смешанных II и III классов, 10611 жестких III класса, 7174 - жестких IV класса, 2961 почтовых и багажных, 1298 служебных, 540 вспомогательных и 1204 прочих) [134].

После Октябрьской революции на первом Всероссийском учредительном съезде железнодорожников летом 1917 года был создан Викжель - Всероссийский исполнительный комитет железнодорожного профсоюза. Он вошел в историю как организация, которая в дни Октябрьской революции стала одним из центров противостояния новой власти. В январе 1918 года на Всероссийском съезде профсоюзов железнодорожников удалось изменить структуру и образовать параллельный Исполнительный комитет Викжелдор, в котором большинство его членов стали составлять большевики. Окончательно Викжель прекратил свое существование в марте 1918 года, когда декретом Совнаркома НКПС был наделен

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Шинкарук Андрей Сергеевич, 2025 год

использованных сталей

Класс прочности, марка стали Ов min От I режим III режим

М М

1,4541 EN 10088-2 370 260 260 172

345Д, 09Г2С/(09Г2СД) 480 345 345/345 200/190

Сталь 3 360 235 235 165

* Примечание: в знаменателе допускаемые напряжения для хребтовой и шкворневых балок

Для создания конечно-элементной расчетной схемы использовался специализированный программный комплекс, подходящий для расчета двухэтажных вагонов NASTRAN. Расчетная схема приведены на рисунке 3.8. В целом схема содержит более 15500 узлов и около 22500 элементов.

Граничные условия и приложение внешних нагрузок в расчетной схеме двухэтажного вагона аналогично описанным выше для одноэтажного вагона. Закрепление расчетной схемы производилось аналогично, как и для одноэтажного вагона по принципам, изложенные в разделе 3.5.

При создании данной расчетной схемы приняты исходные данные, указанные в таблице 3.11.

Все нагрузки, действующие на расчетную схему, условно разделены на группы:

- сосредоточенные нагрузки;

- распределенные по элементам или площадям;

- инерционные нагрузки.

б - торцевая сторона

в - крыша

Рисунок 3.8 - Расчетная схема МКЭ двухэтажного вагона

В сосредоточенные нагрузки включен вес: подвесного пневмооборудование, кондиционеров (левого и правого), резервуаров для воды, сцепных устройств, межвагонных переходов, ящика высоковольтного оборудования, преобразователя напряжения, аккумулятора, входных дверей.

Таблица 3.11. Исходные данные для расчета двухэтажного вагона

Наименование параметра Значение

Длина кузова по концам торцевых стен 25656 мм

Длина кузова по раме 25152 мм

База вагона 19000 мм

Ширина кузова наружная по обвязке рамы 3185 мм

Высота кузова от уровня пола до верха гофра крыши 4614 мм

Конструкционная скорость 160 км/ч

Тара кузова вагона в экипированном состоянии 578243 Н

Полезная нагрузка 63743 Н

К распределенным по элементам и площадям включены следующие нагрузки: вес окон и люков, распределенные по нижней линии окна или люка; вес перегородок, дверей, потолков, систем отопления и вентиляции, сантехнического оборудования, электрооборудования, запасного оборудования (ЗиП) и вес пассажиров.

Все распределенные нагрузки приложены в следующих зонах: левый коридор, служебное помещение, купе проводника, левая зона спуска в салон, салон первого этажа, правая зона спуска в салон, правый коридор, второй этаж, нижняя кромка окон.

Суммарная нагрузка, приходящаяся на каждую зону, была распределена на общее количество узлов на несущих конструкциях в соответствующей зоне. Все неучтенные нагрузки были распределены равномерно по всех элементам конструкции (таблица 3.12).

Таблица 3.12. Распределенные нагрузки, смоделированные с применением метода конечных элементов двухэтажного вагона___

№ Наименование нагрузки Всего, Н На 1 узел, Н

Сосредоточенные нагрузки

1 Кондиционер тормозного конца 5543 89.4

2 Кондиционер нетормозного конца 5543 90.89

3 Водяной бак левый 7603 146.2

4 Водяной бак правый 7603 165.3

5 Преобразователь напряжения 7848 261.6

6 Ящик ВВ 2943 824; 647.5

7 Оборудование пневмотормоза 6651 490.5;436.5;122.6

8 Автосцепка 10193 509.6

9 Аккумулятор 7456 307,3421

10 Межвагонный переход 4081 157

11 Входные двери 6080 760

12 Итого сосредоточенных 71544

Распределенные нагрузки

13 Окна 17131 0.445 Н/м

14 Служебное помещение 4647 74.95

15 Купе проводников 2723 53.39

16 Салон 40617 69.67

17 Туалеты 18655 168.06

18 Левый коридор 6012 31.31

19 Левый спуск в салон 1149 37.06

20 Правый спуск в салон 1149 38.3

21 Правый коридор 6409 33.38

22 Пассажиры первого этажа 31883 54.69

№ Наименование нагрузки Всего, Н На 1 узел, Н

23 ЗиП 2158 34.8

24 Распределенная на второй этаж 47829 156.82

25 Пассажиры второго этажа 31883 104.5

26 Всего узловых нагрузок по вертикали 283789

Массовые нагрузки

27 Расчетное вертикальное ускорение 295429 -18834 мм/с2

28 Итого всех приложенных нагрузок 579218

Фрагменты участков распределенных нагрузок приняли вид (рисунок 3.9).

По результатам проведенного моделирования методом конечных элементов с использованием системы NASTRAN (рисунок 3.10) установлены наиболее интенсивно нагруженные зоны силового каркаса двухэтажного пассажирского вагона, которыми явились:

- швеллер хребтовой полубалки в зоне задних и передних упорных угольников поглощающих аппаратов;

- переходные зоны продольных балок (нижних обвязок) в шкворневых зонах рамы вагона;

- зона соединения нижнего листа шкворневой балки и профилей швеллеров хребтовой полубалки.

а - крыша (нетормозная сторона) б - крыша (тормозная сторона)

в - торцевая сторона г - концевая сторона

д - силовой каркас д - нагрузка на первый этаж

Рисунок 3.9 - Фрагменты расчетной схемы проложенных распределенных нагрузок на

элементы конструкции двухэтажного вагона

На основании полученных результатов определены зоны наибольшего сосредоточения усилий и, соответственно, участки контроля износа элементной базы двухэтажного пассажирского вагона (таблица 3.13).

а - первого тона

б - при I режиме

в - при III режиме (сжатие)

г - при IIIрежиме (растяжение) Рисунок 3.10 - Расчетные нагрузки на элементы силового каркаса двухэтажного пассажирского вагона с назначенным сроком службы 40 лет [178]

Таблица 3.13. Схематические участки контроля профилей силового каркаса двухэтажного пассажирского вагона для расчета ожидаемого остаточного срока службы

Сечение

Название

Схематических эскиз точек контроля

Концевая хребтовая полубалка с рабочей и не рабочей сторон

2

Промежуточная опорная балка с рабочей и не рабочей сторон

3

4

Наружная балка с левой и правой сторон

Шкворневая балка с рабочей и не рабочей сторон

1

Таким образом, по результатам исследований определены элементы, требующие периодического проведения контроля по результатам коррозионного и циклического воздействий.

3.6 Цифровая платформа для анализа данных толщинометрии

Использование «SMART»-технологий в значительной мере упрощает работу производственного персонала, позволяет в автоматизированном режиме производить контроль и анализ снимаемых показаний, а также сокращает трудоемкость выполнения работ. С начала 2022 года в связи с обострением политической и экономической ситуации в РФ возник существенный дефицит парка пассажирских вагонов, поскольку единственный производитель ОАО «ТВЗ» не смог обеспечивать в полной мере потребности перевозчиков, в связи со значительным устареванием эксплуатационного парка вагонов (достижения назначенного срока службы - 28 лет). В связи с этим, начиная с июня 2022 года в

ОАО «РЖД» и АО «ФПК» в соответствии с распоряжением ОАО «РЖД» от 9 июня 2022 г. № 1533/р [188] была возобновлена работа по продлению сроков службы вагонов постройки Германской демократической республикой (ГДР) до 1994 года выпуска на основе технического диагностирования рамы вагона. На основании положительных итогов, подтвердивших возможность дальнейшей эксплуатации вагонов, достигшие назначенного срока службы вагоны - 28 лет, данное направление по продлению сроков службы вагонов на путем проведения технического диагностирования было распространено на вагоны моделей 61-817, 61-820, 61-828, 61-836, 61-850 постройки Калининского вагоностроительного завода, а также на вагоны-рестораны модели СК/к постройки ГДР [109, 110, 113].

С учетом значительного увеличения объемов работ по проведению измерений толщины кузовных элементов пассажирских вагонов возникла необходимость автоматизирования данного процесса в целях сокращения трудоемкости и уменьшения нагрузки на производственный персонал вагоноремонтных предприятий. Данный процесс реализован за счет применения «SMART» -технологий. Разработана программа «ЭВМ», работающая на базе WEB-сервера [231]. Интерфейс программы «ЭВМ» через носимый или стационарный терминал с доступом к WEB-серверу посредством сети передачи данных позволяет пользователю заполнять результаты толщинометрии ответственных элементов рамы вагона в специализированную форму карты контроля, представленную на html-странице WEB-сервера, с наглядным изображением точек контроля и нормируемых характеристиках. По результатам ввода данных программа «ЭВМ» производит автоматический расчет прогнозного ожидаемого остаточного срока службы для каждого контрольного элемента и затем на основании полученных результатов выводит сообщение о наиболее уязвимом(ых) элементе(ах) и итоговом ожидаемом остаточном сроке службы вагона в целом. Для удобства сохранения результаты измерений и сбора статистических данных доступны для скачивания в электронном формате (Microsoft Excel). Перспективой развития данного подхода является интеграция ПО в средства измерения (ультразвуковые

толщиномеры) с передачей данных в электронный протокол посредством Wi-Fi или кабеля.

Для определения остаточного срока службы вагонов в программе «ЭВМ» используется общеизвестный подход, описанный в [205]. Определение фактической скорости коррозии V^op и Тост проведены по формулам 3.14 и 3.15, однако у данного подхода есть определенные недостатки, заключающиеся в отсутствии ограничений по полученным значениям ожидаемого остаточного срока службы, связанного со значениями скорости коррозии близкими к нулю. Для устранения данного недостатка в соответствии с [263] было введено ограничение по показателю ожидаемого срока службы вагона с учетом продления до значения, не превышающего полуторный назначенный срок службы, указанный в технических условиях завода-изготовителя на базовую модель вагона [264].

Таким образом, итоговая формула для расчета остаточного срока службы [Тост] будет иметь вид:

ГТ 1 = ( Тост пРи Тост ^ 1,5 •Тн-Т; п

[Тост] (1,5 •Тн-Т при Тост > 1,5 •Тн-Т, ( )

где Тн - назначенный срок службы вагона в соответствии с техническими условиями завода-изготовителя, лет;

Т - возраст вагона.

Полученное значение ожидаемого остаточного срока службы вагона, в основном, зависит от двух основных факторов: агрессивности окружающей среды и качества подготовки и защищенности элементов конструкции от коррозионного воздействия. Таким образом, полученное значение ожидаемого остаточного срока службы не учитывает значение многоцикловой долговечности [135]. В связи с этим, целесообразно также определить ожидаемый остаточный срок службы вагона с учетом его фактического использования в перевозочной деятельности.

Определение расчетного ожидаемого остаточного срока службы вагона с учетом интенсивности использования Тдост, лет, производится по формуле:

1 С-Т •] —1

1,5 1н_^нсг ^экс ^сгэ

_ 1 н -нсг "экс

Дост — -]-, С3-43)

где 1нсг - нормативный среднегодовой пробег, 1нсг примем 300 тыс. км [130]; Ьэкс - суммарный эксплуатационный пробег на момент определения срока службы, тыс. км;

1сгэ - среднегодовой пробег в условиях эксплуатации, тыс. км. Среднегодовой пробег в условиях эксплуатации 1сгэ определяется по формуле:

и

и (3-44)

■-сю

Т

Использование формулы 3.43 допускается только в случае наличия данных по суммарному эксплуатационному пробегу Ьэкс на момент определения срока службы вагона, данная возможность доступна для вагонов, изготовленных начиная с 2015 года, благодаря программному комплексу АСУ ПВ.

Для вагонов, изготовленных до 2015 года, для определения ожидаемого остаточного срока службы используется следующая формула:

Тожид — 1,5-Тн-365-Т-^-КВр, (3.45)

где Ьс - проектный среднесуточный пробег вагона, Ьс = 890 км;

Ум - средняя маршрутная скорость движения, Ум — 68,9 км/ч;

Квр - коэффициент, учитывающий время нахождения вагона в рабочем парке.

В соответствии с [65], примем Квр —0,85.

В целях определения наиболее оптимального значения ожидаемого остаточного срока службы вагонов необходимо найти среднее арифметическое значение, среднеквадратическое отклонение и коэффициент вариации.

Среднее арифметическое значение Х:

X — [Тост] + Тожид (3.46)

2

Среднеквадратическое отклонение

5 — Л1

2 1=1

Коэффициент вариации V:

V =-=—. (3.48)

К

В зависимости от полученного значения коэффициента вариации V будет определяться итоговое рациональное значение ожидаемого срока службы:

_(Х при К <30 %,;

Топост = { тт[[Тост]; Тдост} при V > 30 %. (3 49)

Таким образом, предложенная модель определения ожидаемого остаточного срока службы вагона может позволить наиболее эффективно использовать до сих пор не исчерпанные ресурсы вагонов, обеспечивая их дальнейшую эксплуатацию. Особенно актуальным применение данного подхода становится для подвижного состава, планируемого к использованию в качестве «исторического» и «служебно-технического».

Дополнительно к этому, на основании полученных результатов технического диагностирования, исследован вопрос определения наиболее неблагоприятного ожидаемого срока службы вагона, в течение которого происходят максимальные коррозионные потери в ответственных элементах рамы вагона. Для данного исследования по методикам [8, 109, 110, 066, 167] были продиагностированы вагоны модели 61-4447 (текущий возраст 10 лет), модели 61-4194 (текущий возраст 20 лет), модели 61-836 (текущий возраст 28 лет) и модели 61-821 (текущий возраст 40 лет) идентичной конструкции силового каркаса. Результаты диагностики с учетом средних арифметических размеров толщин ответственных элементов приведены на рисунке 3.39.

Для понимая структуры изменения элементов силового каркаса вагонов введем следующие базовые сокращения:

5ном, мм - номинальная толщина элемента конструкции;

$тт> мм - минимально допустимая толщина элемента конструкции;

5факт(10), мм - среднее арифметическое значение фактической толщины элемента конструкции для вагонов (текущий возраст 10 лет);

5факт(20), мм - среднее арифметическое значение фактической толщины элемента конструкции для вагонов (текущий возраст 20 лет);

5факт(28), мм - среднее арифметическое значение фактической толщины элемента конструкции для вагонов (текущий возраст 28 лет);

5факт(40), мм - среднее арифметическое значение фактической толщины элемента конструкции для вагонов (текущий возраст 40 лет);

Л51, мм - приращение средних арифметических значений толщин элементов конструкции между 5факт(10) и 5ном;

АБ2, мм - приращение средних арифметических значений толщин элементов конструкции между 5факт(20) и 5фаКТ(10);

АБ3, мм - приращение средних арифметических значений толщин элементов конструкции между 5факт(28) и 5факт(20);

Л54, мм - приращение средних арифметических значений толщин элементов конструкции между 5факт(40) и Бфакт(28).

Графическое отображение зависимостей АБ по контрольным точкам приведено на рисунках 3.39 - 3.43.

л е; е; (б

1,60 1,40 1,20 1,00

_ 0,80

.о х

е;

0

I-

01

I

V I

V

ш

(О

5

0,60

0,40

0,20

0,00

ш

□ ДS 1 С^ 2 □ДS 3 □ДS4

1Ш

М

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 вораст вагона, лет

1

2

3

4

5

6

Рисунок 3.39 - График зависимостей приращений АБ по контрольным точкам

0,23 0,21

¡2 0,19

(О

«й 0,17

■ДS 1 по № точек Линия тренда

о

I-

ш

0,15 0,13

0,11 х ш

5 0,09

ш

т

0,07

0

2

4

6 8 10

возраст вагона, лет

12

14

16

18

ДS 2 по № точек Линия тренда

Рисунок 3.40 - График зависимостей приращений Д51 по контрольным точкам

0,50 0,45

ш

Ш 0,40 —

пТ

лл 0,35 а т е

® 0,30 — и

н

=т 0,25 — л о

щ 0,20 —

I 0,15 е

х 0,10

2

4

6

14

16

8 10 12 возраст вагона, лет

Рисунок 3.41 - График зависимостей приращений АБ2 по контрольным точкам

18

а л л а

.о

н

л о т

е

5

н е н е

1,44 1,24 1,04 0,84 0,64 0,44 0,24

^ 3 по № точек

1\ Линия тренда

24 68 10 12 14 16

18

возраст вагона, лет

0

Рисунок 3.42 - График зависимостей приращений АБЗ по контрольным точкам

0,83 0,73

, 0,63 л е;

то 0,53 н

V

- 0,43

.о

х

=Т 0,33

е;

о

£ 0,23

5 0,13

х

V

т 0,03

5

ДS4 по № точек Линия тренда

8 10 возраст вагона, лет

12

14

16

18

Рисунок 3.43 - График зависимостей приращений Д54 по контрольным точкам

По результатам произведенных измерений получены средние значения приращений Л51=0,15 мм, Л52=0,25 мм, Л53=0,64 мм, Л54=0,33 мм, данные показатели, свидетельствуют о том, что наибольшие коррозионные потери наблюдаются в период срока службы вагонов от 20 до 28 лет. С учетом анализа требований нормативной документации по ремонту пассажирских вагонов данная тенденция объясняется неудовлетворительным качеством очистки ответственных элементов рамы вагона при проведении плановых видов ремонта крупного объема (КР-1 и КР-2).

В соответствии с требованиями ЛВ1.0031 РК [22] и ЛВ1.0030 РК [19], раму вагона очищают от загрязнений и коррозии механическим способом, однако конкретный способ и объем очистки не устанавливается. При этом при капитально-восстановительном ремонте (КВР), в соответствии с требованиями ЛВ1.0050 РК [21] и Единых требований к капитально-восстановительному ремонту (КВР) и к капитальному ремонту с модернизацией (КРМ) пассажирских вагонов [127] осуществляется в обязательном порядке очистка рамы вагона дробеструйным методом.

В соответствии с требованиями ТИ-ЦЛПВ-33/5-2007 [266], кузова вагонов, окрашенные при строительстве долговечными лакокрасочными материалами, подвергаются дробеструйной обработке три раза: первый - через 10 лет, второй -при КР-2 (20 лет) и третий - при КВР.

0

2

4

6

Поскольку рама вагона с технической точки зрения является элементом кузова, то наиболее целесообразно распространить требования по проведению дробеструйной очистки и на раму вагона с периодичностью в 10 лет: первый -через 10 лет после постройки, второй при КР-2 (20 лет), третий - при КВР (28 лет) или через 30 лет для вагонов с назначенным сроком службы - 40 лет.

По результатам проведенных исследований определены сечения элементов силовых каркасов вагонов различных модификаций (одноэтажные с наличием в конструкции хребтовой балки - вагоны постройки отечественных заводов; одноэтажные вагоны с усеченной хребтовой балкой изготовления завода Аммендорф ГДР; двухэтажные вагоны постройки ОАО ТВЗ).

Параметры сечений силовых каркасов вагонов различных модификаций систематизированы в таблице 3.14.

Таблица 3.14. Зоны контроля силового каркаса элементов основных видов пассажирских вагонов

Тип вагона/параметр

Одноэтажные с хребтовой балкой

Одноэтажные с хребтовой полубалкой

Двухэтажные

Точки контроля

1

2

3

4

Хребтовая балка консольная часть

Хребтовая полубалка

Хребтовая балка, средняя часть

Шкворневая балка

Наружная и концевая балки

Обвязка

Продолжение таблицы 3.14

1

2

3

4

Балка поперечная (гнутый профиль)

г

Балка поперечная (омегообразный профиль)

Промежуточная опорная балка

Боковая продольная балка

Концевой раскос

3.7 Оценка изменения сечений элементов силового каркаса одноэтажных пассажирских вагонов до достижения ими прогнозного срока службы 60 лет с применением метода наименьших квадратов

Произведем прогноз технического состояния силового каркаса пассажирского вагона до достижения срока службы 60 лет. Одним из наиболее наглядных и эффективных методов прогнозной оценки изменения состояния изделия является применение метода наименьших квадратов, изобретенного в первом десятилетии XIX века, и нормального закона распределения вероятностей ошибок измерений.

Изобретателями данных методов являются три ученых того времени -К.Ф. Гаусс [37], А.М. Лежандр [333] и Р.А. Эйдриан [316]. Принцип данного метода заключается в алгебраическом решении задачи, если наложить на искомые величины поправки в виде следующего ограничения:

^ ? = min, (3.50)

i

где v - вектор погрешности измерения (поправок) в i диапазоне.

Данный метод А.М. Лежандр представил как «метод наименьших квадратов» посредством вычислительного приема и предложил для его использования всем исследователям. Данный метод основывается на обработке равноточных, некоррелируемых результатов измерений и в настоящее время носит иное название - способ компенсации ошибок наблюдения.

Другой ученый, Гаусс К.Ф., в своей работе «Теория движения небесных тел ...» [124, 162] изначально дает вероятностное обоснованию методу наименьших квадратов, а в окончании научной работы обращает внимание на то, что данный метод может использоваться независимо от теории вероятностей. Также Гаусс К.Ф. отмечает, что данный метод недавно был изложен знаменитым ученым Лежандром А.М. в его труде, где приведено также много других свойств этого принципа.

Учет неравноточных данных с применением «весов» впервые предложен Котсом Р. [324] еще до разработки метода наименьших квадратов, который проводил их «графически» [124]. «Вес» Котса Р. По сути своей отличался от меры точности h, предложенной и использованной Гауссом К.Ф. По истечении времени, мера неравноточности наблюдений p, являющаяся обратно пропорциональной величиной квадратам этих ошибок, сохранила за собой название «вес», которая привела к усложнению ограничения (3.50), принявшему вид:

Создатели метода наименьших квадратов предполагали, что имеют дело только со случайными погрешностями и считали, что возникающие систематические ошибки должны предварительно изучаться и исключаться из обрабатываемых материалов. Однако это является первым важнейшим условием применимости метода для оптимизации данных.

Первые факты применения данного метода были реализованы для уточнения параметров орбит малых планет. При этом функциональная составляющая математической модели (эллиптическая форма орбиты) была известна с точностью до определяемых параметров этой орбиты. Это один из

(3.51)

законов Кеплера, следовательно, само уравнение эллипса («коническое сечение» [162]) сомнению не подвергалось. Данное условие были вторым критерием для применимости метода.

Необходимо отметить, что изначально метод наименьших квадратов не использовался для подбора функциональной основы математической модели параллельно с оцениванием ее параметров.

Лаплас П.С. оценил достоинства метода и занимался вопросом вероятностного обоснования метода на основе нормального закона распределения, известного в науке как закон Лапласа-Гаусса. В результате более детального исследования по методу наименьших квадратов Лаплас пришел к выводу, что неограниченное увеличение числа наблюдений дает наилучшие результаты при законе распределения, отличном от нормального.

В своих работах Гаусс К.Ф. [37, 324] исходил из аналогичных выводов, как и Лаплас П.С., и утверждал, что функция вероятности может быть какой угодно, и число наблюдений может быть большим или малым. Таким образом Гаусс К.Ф. дополнительно подтвердил, что метод наименьших квадратов является самодостаточным, независимо от теории вероятностей [124], что является третьим условием, не отменяющим предыдущих два, а наоборот, расширяющем область применения метода для оптимальной по точности компенсации случайных погрешностей наблюдений.

Критерии основных величин М (математическое ожидание) и а (среднеквадратическое отклонение) расчета по методу наименьших квадратов приведены в таблице 3.15.

Результаты вычисления параметров изменения толщин силового каркаса на основании результатов, полученных по методу наименьших квадратов с прогнозом до 60 лет от периода изготовления приведены, в таблице 3.16. С помощью этих данных получен график изменения толщины силового каркаса для достижения назначенного срока службы 40 лет (рисунок 3.44) и прогнозного по методу наименьших квадратов (рисунок 3.45) до 60 лет.

Таблица 3.15. Значения параметров М и с

Элемент М а

Хребтовая балка консольные части (котловая сторона) 25,45 10,3

28,52 11,19

Хребтовая балка консольные части (некотловая сторона) 36,70 16,15

28,29 8,55

Хребтовая балка средняя часть (двутавр) 23,62 4,49

22,015 4,36

Шкворневая балка котловая сторона 22,93 8,21

25,64 11,01

Шкворневая балка некотловая сторона 21,92 5,25

22,98 11,25

2,5

о

X

<и

X

<и

1,5

0,5

-Хребтовая балка консольные части (котловая сторона), факт Хребтовая балка консольные части (котловая сторона), факт Хребтовая балка консольные части (некотловая сторона), факт Хребтовая балка консольные части (некотловая сторона), факт Хребтовая балка средняя часть (двутавр), факт

Хребтовая балка средняя часть (двутавр), факт

Шкворневая балка, котловая сторона, факт

-Шкворневая балка, котловая сторона, факт

Шкворевая балка, некотловая сторона факт

Шкворевая балка, некотловая сторона факт

Хребтовая балка консольные части

(котловая сторона)

Хребтовая балка консольные части

(котловая сторона)

Хребтовая балка консольные части

(некотловая сторона)

Хребтовая балка консольные части

(некотловая сторона)

Хребтовая балка средняя часть

(двутавр)

-Хребтовая балка средняя часть (двутавр)

Шкворневая балка, рабочая сторона Шкворневая балка, рабочая сторона

10

15 20 25

возраст вагона, лет

30

35

40

2

1

0

0

5

Рисунок 3.44 - Сравнительное изменение утонения металла до достижения 40 лет по фактическим данным и данным, установленные по методу наименьших квадратов

одноэтажных вагонов

2,5

ш 1,5

л х

о

ш 1

X X

<и

X

<и

0,5

-Хребтовая (котловая с -Хребтовая 5алка консольные торона) 5алка консольные торона) 5алка консольные части части части

(котловая с Хребтовая

(некотловая сторона) -Хребтовая балка консольные (некотловая сторона) -Хребтовая балка средняя част (двутавр) части ь

-Хребтовая (двутавр) 5алка средняя част ь

У/У

Г/

10

20 30 40

возраст вагона, лет

50

60

Рисунок 3.45 - Утонение элементов силового каркаса до прогнозного достижения 60 лет одноэтажного вагона

По результатам проведенного моделирования и оценки прогнозных значений параметров элементов максимальный планируемый износ (при ремонте по существующей системе) [18-22] составит 74 % в средней части (двутавра) хребтовой балки (таблица 3.16).