Вступ
Головною вимогою до будь-яких механізмів або систем є безпечність їх функціонування. Для рухомого складу (РС) залізничного транспорту рівень безпеки закладають на стадіях проектування та модернізації його окремої моделі та підтримують заходами технічного обслуговування тих одиниць, які функціонують.
В Україні на цей час склалися умови, що призводять до послаблення контролю за станом РС. Робота на лініях неврахованої кількості одиниць РС приватної власності, а також відсутність наукової підтримки під час проведення робіт із ремонту та відновлення транспортних одиниць викликають нерозуміння динаміки зносу парку РС. Відсутність такої інформації унеможливлює розробку, розвиток та впровадження довгострокових заходів щодо технічної підтримки РС, що призведе до додаткових матеріальних затрат.
Одним з основних факторів погіршення технічного стану РС є корозія матеріалу несучих конструкцій. На залізниці корозія безпосередньо впливає на економічні витрати через необхідність проведення ремонтних робіт. Проте її опосередкований вплив може бути значнішим: матеріальні та людські втрати від аварійних ситуацій, економічні втрати у зв’язку з негативними змінами в логістичних процесах. Таким чином, попередження наслідків корозії порівняно з їх усуненням є пріоритетним рішенням проблеми. Цій темі присвячені дослідження як у сфері залізничної [2, 4, 6] і нафтогазової галузі [3], так і загальні теоретичні дослідження [1, 7, 10] та систематизовані теоретичні посібники [8, 9].
Мета
Основною метою цього дослідження є встановлення чисельних показників динаміки зносу одиниць рухомого складу залізниць за критерієм корозійного ураження та обґрунтування зменшення обсягів робіт під час їх обстеження. Також отримані дані дають змогу перевірити положення про лінійний знос металевих конструкцій. Оскільки об’єкти досліджень перебувають у різних агресивних умовах навколишнього середовища (умови гірничо-збагачувальних комбінатів, заводів металевих виробів, виробництв харчових продуктів, портів тощо), у даних будуть з’являтись викиди, що повинні групуватись за одиницями локомотивів, а локомотиви, у свою чергу, групуються за умовами навколишнього середовища (тобто за типом діяльності виробництва, на базі якого працюють ці одиниці РС).
Методика
Статистичні дані для аналізу було отримано в ході виконання робіт з обстеження технічного стану несучих конструкцій (НК) локомотивів промислового транспорту силами Дніпровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна (ДНУЗТ) [10]. Після сортування даних за моделями для дослідження було обрано серії локомотивів ТЕМ2 та ТГМ4 разом із модифікацією ТГМ4А (далі ТГМ4, якщо не зазначено конкретно, якої саме модифікації стосується інформація), як найбільші доступні вибірки за об’ємом – 27 та 37 одиниць відповідно. Таким чином, об’єм вибірок візків тепловозів ТЕМ2 складає 54, а тепловозів ТГМ4 – 74 одиниці.
Розміри товщин рам кузовів та рам візків локомотивів було отримано згідно з розробленими в ДНУЗТ методиками обстеження. Значення товщини балок в окремому перерізі було заміряно не менш як три рази, а фактичний розмір товщини, згідно з методикою, за відсутності різких коливань показника, обрано як середній з усіх отриманих значень.
Рис. 1 ілюструє розташування точок на перерізах несучих конструкцій тепловоз ТЕМ2.
Рис.
1. Переріз НК тепловоза
ТЕМ2:
а
– кузов; б
– візок
Fig. 1. Section of
supporting structure
of ТЕМ2
locomotive:
a
– body; b
–
bogie
На цільовому перерізі поздовжньої балки кузова тепловоза ТЕМ2 (рис. 1, а) у точці 1 товщиноміром заміряють товщину металу стінки, у точках 4 та 5 – товщину металу бронелиста. У точках 1 та 3 вимірюють товщину металу поличок. Оскільки разом із бронелистом двотавр не складає суцільну структуру, ультразвукова хвиля відбивається від суміжних із бронелистами граней поличок балки. Таким чином, товщини в точках 1 та 3 ніяк не пов’язані з товщинами в точках 4 та 5. На перерізі візка (рис. 1, б) заміряють товщини металу стінок (т. 1, 3) і поличок (т. 2 та 4).
Перерізи несучих конструкцій візка та кузова тепловоза ТГМ4 з позначеннями точок обстеження наведені на рис. 2.
Рис. 2. Переріз
НК тепловоза ТГМ4:
а
– кузов; б
– візок
Fig. 2. Section of
supporting structure
of TGM4
locomotive:
a
– body; b
–
bogie
Тепловоз ТГМ4 відрізняється від тепловоза ТЕМ2 відсутністю бронелистів на рамі кузова, тому кількість точок вимірювань на цьому перерізі складає не п’ять, а три.
Наочним відображенням результатів дослідження є розташування отриманих даних на точкових діаграмах залежності товщини балок несучих конструкцій тягового рухомого складу (ТРС) промислових залізниць від часу. Для обробки отримані дані було розділено за моделями ТРС, а також за видом несучої конструкції (кузов або візки), у яких було проведено заміри. За нульову точку відліку товщин НК узято проектні значення.
Після побудування точкової діаграми проведено побудову лінії тренду, яка відображає тенденцію зміни цільових показників.
Результати
Аналіз даних показав, що середнє зменшення товщини НК обраних локомотивів унаслідок рівномірної корозії варіюється в межах 0,03–0,1 мм/рік.
У кожному перерізі окремого виду НК моделей ТРС хмари точок мають приблизно однакову форму й відрізняються тільки положенням цієї хмари на осі ординат. Тому через значний обсяг джерел даних ілюструвати будемо тільки дані перших точок кожного виду НК, які відображають типову динаміку корозії в перерізі.
Також у перерізах кузовів тепловозів ТЕМ2 було виявлено одиничні викиди, які наочно значно відрізнялися від відповідних основних груп отриманих значень, а також групи викидів та незвичні стрибки значень у кузовах тепловозів ТГМ4. Аналіз за критерієм Граббса показав, що вилучені значення в даних кузовів тепловозів ТЕМ2 були викидами навіть за рівня довіри α = 0,005, хоча для проведення перевірки отриманих даних на викид рівень довіри було взято на рівні α = 0,05. У випадку тепловозів ТГМ4 після усунення аномалій в отриманих даних було проведено повторний аналіз даних та вилучення викидів на попередньо визначених умовах.
Початкові дані щодо зношування верхньої полички рами кузова тепловоза ТЕМ2 (точка 1 на рис. 1, а) наведено на рис. 3. Горизонтальна вісь – час у роках, а вертикальна вісь – товщина несучої конструкції, що виражена у міліметрах.
Рис. 3. Початкові дані товщин верхніх поличок рами кузова тепловоза ТЕМ2
Fig. 3. Initial thicknesses data of the top shelves of the body frame of TEM2 locomotive
Звертаємо увагу, що для збільшення корисної площини діаграми з метою поліпшення сприйняття даних переріз осей координат у діаграмах початкових даних не збігається з початком координат, а також розмірність .
На рис. 4 побудовано тренд розвитку корозії в цій точці.
За формою хмари значень та залежністю товщини металу від віку НК описують формулами лінійного тренду, що зазначені в табл. 1.
Рис.4. Тренд
розвитку корозії точки 1
на рамі
кузова тепловоза ТЕМ2
Fig.4. Сorrosion
trend of the point 1
on the body frame
of TEM2 locomotive
Тренди корозії рами кузова тепловоза ТЕМ2
Table 1
Corrosion trends of the body frame of TEM2 locomotive
|
Точка |
Формула тренду |
|
1 |
y = 14 – 0,0379*x |
|
2 |
y = 10 – 0,0481*x |
|
3 |
y = 14 – 0,0344*x |
|
4 |
y = 24 – 0,0823*x |
|
5 |
y = 24 – 0,0818*x |
На рис. 5 та 6 відображено дані з верхньої полички візка тепловоза ТЕМ2 та отриманий тренд розвитку корозії відповідно.
Рис. 5. Початкові дані з верхньої полички рами візка тепловоза ТЕМ2
Fig. 5. Initial data from the upper shelf of the bogie frame of TEM2 locomotive
Рис. 6.
Тренд розвитку корозії точки 1
на
рамі візка тепловоза ТЕМ2
Fig. 6. Trend
of corrosion point 1
on the bogie
frame of TEM2 locomotive
Формули трендів корозії візків тепловоза ТЕМ2 наведено в табл. 2.
Тренди корозії візків тепловоза ТЕМ2
Table 2
Corrosion trends of TEM2 locomotive bogies
|
Точка |
Формула тренду |
|
1 |
y = 20 – 0,0772*x |
|
2 |
y = 16 – 0,0657*x |
|
3 |
y = 32 – 0,0778*x |
|
4 |
y = 16 – 0,0650*x |
Дані, отримані з моделі ТГМ4 та модифікацій ТГМ4А та ТГМ4Б, відрізняються розкидом значень та формою хмар точок. Товщини кузова виділяються різким стрибком значень на межі 25–26 років (рис. 7).
Рис. 7. Початкові дані щодо верхньої полички рами кузова тепловоза ТГМ4
Fig. 7. Initial data on the upper shelf of the body frame of TGM4 locomotive
Неприродний стрибок отриманих значень на межі 25–26 років пояснюється використанням іншого профілю в певній групі локомотивів. Усі одинадцять локомотивів, які потрапили в діапазон значень 20–24 мм, належать до модифікації ТГМ4Б. Оскільки ця модифікація представляє вузьку групу локомотивів віком 24–25 років, відповідні дані було вилучено та в обробці не задіяно. Побудований тренд наведено на рис. 8.
Рис.
8. Тренд розвитку корозії точки 1
на
рамі кузова
тепловоза ТГМ4
Fig.
8. Corrosion
development
trend
of the
point
1
on the body frame of TGM4 locomotive
Формули трендів усіх точок перерізів рам кузовів тепловозів ТГМ4 наведено в табл. 3.
Тренди корозії рами кузова тепловозів ТГМ4
Table 3
Corrosion
trends of body
frame
of TGM4 locomotives
|
Точка |
Формула тренду |
|
1 |
y = 18 – 0,0554*x |
|
2 |
y = 14 – 0,0687*x |
|
3 |
y = 18 – 0,0532*x |
Початкові дані товщин верхньої полички рам візків тепловазів ТГМ4 подано на рис. 9.
Рис. 9. Дані точки 1 на рамі візка тепловоза ТГМ4
Fig. 9.
Data of the
point 1 on the bogie frame
of TGM4
locomotive
Тренд наведений на рис. 10.
Рис. 10.
Тренд даних точки 1
на рамі візка
тепловоза ТГМ4
Fig. 10.
Data trend of the point
1
on the bogie frame of TGM4
locomotive
Формули трендів корозії металу рами візка подано в табл. 4.
Тренди корозії візків тепловозів ТГМ4
Table 4
Corrosion trends of TGM4 locomotives
|
Точка |
Формула тренду |
|
1 |
y = 22 – 0,0920*x |
|
2 |
y = 18 – 0,0858*x |
|
3 |
y = 32 – 0,1037*x |
|
4 |
y = 18 – 0,0857*x |
З отриманих формул трендів видно, що в рамах кузовів стінки двотавра більш схильні до корозії, ніж полички. Верхні та нижні полички мають майже ідентичну швидкість корозії, проте значення від’ємного коефіцієнта для верхніх поличок в обох моделях тепловозів трохи більше, ніж для нижніх. У разі наявності бронелистів у конструкції рам кузовів вони також є осередком підвищеної корозії.
Для балок візків коробчастого типу обох моделей тепловозів характерна перевага швидкості розвитку корозії металу поличок над швидкістю розвитку корозії металу стінок. При цьому нижні полички втрачають товщину металу швидше, ніж верхні.
Наукова новизна
та практична
значимість
Проведено аналіз фактичного стану обстеженого парку ТРС промислового транспорту за показником корозії матеріалу та виявлено динаміку розвитку корозійних процесів у несучих конструкціях. З’ясовано, що кліматичні та різні виробничі умови не впливають значним чином на процес зношування конструкцій. Підтверджено, що тренд процесу зменшення товщини несучих конструкцій має лінійну форму. Також установлено, що у візках тепловозів найбільш схильними до впливу корозії елементами є полички рам. У рамах кузовів незалежно від конструкції загальною рисою корозії є переважання швидкості зменшення товщин стінок над швидкістю зменшення товщин поличок. Проте в конструкції рам кузовів із бронелистами верхні та нижні бронелисти за швидкістю зменшення товщини будуть значно випереджати інші точки рами.
Висновки
Зведення даних з обстеження парку локомотивів промислового транспорту дають підстави для таких висновків:
– рівень рівномірної корозії основних несучих конструкцій тепловозів промислового транспорту має слабку залежність від строку їх експлуатації, тобто матеріал конструкцій є достатньо стійким до корозії;
– середнє зменшення товщини НК локомотивів унаслідок рівномірної корозії варіюється в межах 0,03–0,1 мм/рік;
– на підставі рівня рівномірної корозії нижніх поличок можна прогнозувати стан корозії інших елементів екіпажної частини ТРС;
– зменшити обсяг вимірювань товщини НК можна таким чином:
1) перевірити рівень рівномірної корозії нижніх поличок рам візків;
2) у випадку їх незначної (до 10 % номінальної товщини) корозії провести вибірковий контроль інших точок за протоколами візуального огляду локомотива, але в разі виявлення хоча б однієї точки з великим рівнем (>30 % номінальної товщини) корозії провести перевірку рівнів корозії у всіх рекомендованих протоколами обстеження технічного стану точках;
3) у випадку суттєвої корозії (>30 % номінальної товщини) провести перевірку рівнів корозії у всіх рекомендованих протоколами обстеження технічного стану точках.