5. Выбор оптимального способа повышения надежности подвижного состава
§ 1. Технико-экономические показатели эксплуатационной надежности подвижного состава. В конечном итоге высокое качество и технико-экономические показатели любой машины, и в том числе единиц подвижного состава, определяются одним из важнейших проявлений качества — надежностью.
На рис. 45 приводятся общие показатели качества изделий (машин и механизмов) [78].
Во II главе книги в числе других показателей качества подвижного состава были рассмотрены: вероятность восстановления V(τ), среднее время восстановления Тв, интенсивность восстановления μ, критерии технического обслуживания Vоб, Тоб, μоб, коэффициент использования подвижного состава Ки, коэффициент готовности к эксплуатации Кг и коэффициент затрат Кэ.з.
Все эти показатели по существу дают представление о техникоэкономической стороне и условиях эксплуатации подвижного состава. Они являются конкретными показателями качества и надежности и характеризуют все стороны производственного процесса. Надежность в определенной степени характеризуется видом отказа и его последствиями с точки зрения ликвидации отказа — простой в ремонте, трудоемкость и т. д. Чем ниже надежность локомотива, тем больше затраты на его восстановление. Производственная культура, качество инспекции и оборудования, степень автоматизации процессов и т. д. оказывают влияние на величину этих показателей. Задачей эксплуатационников является предупреждение поступления подвижного состава во внеплановый ремонт.
Таким образом, не только конструирование и постройка, но и в первую очередь ремонт и непосредственная эксплуатация подвижного состава должны сопровождаться постоянным экономическим анализом его состояния и проводимых мероприятий для стабилизации высоких показателей качества (производительность, использование мощности, скорости, ресурс работы, себестоимость продукции, надежность и др.). Особое значение в эксплуатации имеет система ухода, обслуживания и ремонта изделий, что определяет величину межремонтных пробегов.
45. Схема общих показателей качества машин
46. График соотношения стоимости изготовления и использования машин в зависимости от показателя надежности:
1—стоимость изготовления машины; 2 — стоимость поддержания работоспособности на должном уровне; 3 —стоимость использования
Естественно, что надежность, заложенная в е. п. с., определяет и качественные эксплуатационные показатели. На рис. 46 показаны взаимозависимости между стоимостями изготовления и использования любой машины с уровнем ее надежности [71 ]. Задача выбора оптимальной надежности сложна, требует дальнейшего изучения и решения в зависимости от степени ответственности каждого звена и экономических факторов.
В условиях эксплуатации подвижного состава большое влияние на его состояние оказывает качество ремонта. При ремонте могут быть улучшены низкие показатели надежности, заданные проектированием и постройкой, но показатели надежности могут быть также резко ухудшены недоброкачественным ремонтом. В связи с этим особое внимание должно быть уделено вопросам обоснования выбора методов упрочнения «слабых» звеньев и повышению надежности е. п. с. в целом.
Оптимальный технологический процесс восстановления и упрочнения детали должен учитывать ее материал и материал детали, контактирующей с ней, размеры, допускаемый износ, качество изготовления, характер соединения, заданные конструктором и фактические условия работы в эксплуатации, ожидаемую программу работ и размеры партий деталей, техническую оснащенность рабочих мест и вид производства.
При организации ремонтного производства следует оценить возможность применения группового метода производства, который широко применяется в промышленности для увеличения размеров партий деталей и лучшего использования оборудования. Очевидно, следует стремиться к централизации и кооперированию восстановления и упрочнения деталей. Все детали подвижного состава с той же целью должны быть сгруппированы по определенным признакам, в первую очередь по конфигурации, размеру детали, материалу, величине допускаемого износа, качеству поверхностей. Многие детали подвижного состава имеют износ более 0,5 мм, поэтому для их восстановления требуется применение таких способов, как электронаплавка, однако при этом зачастую значительно снижается износостойкость, вследствие чего процесс восстановления должен дополняться поверхностным упрочнением. Износы менее 0,5 мм требуют иных методов восстановления, о чем говорилось раньше. Другим признаком группировки деталей является их оценка по критериям долговечности, т. е. прочности сцепления покрытия с основным металлом, износостойкости, усталостной прочности и т. п. Эти свойства могут быть оценены соответствующими показателями. Вибродуговая наплавка рекомендуется для слоев толщиной 0,1—0,3 мм, хромирование — до 0,5—1 мм.
В табл. 22 приведены основные данные об износе, восстановлении и упрочнении деталей подвижного состава. Дальнейшее сосредоточение и уточнение этих данных позволит критически оценить все сделанное в направлении повышения надежности подвижного состава технологическим способом. При сопоставлении данных табл. 21 и 22 видно, что из большого комплекса современных способов упрочнения деталей на железнодорожном транспорте используется лишь незначительная часть и предстоит большая и безотлагательная работа по их внедрению. Пока недостаточно данных для графы 6 характеристики в табл. 22 оптимальности избранного процесса упрочнения деталей и степени повышения надежности подвижного состава.
В ряде случаев при решении таких задач имеют место недопустимые ведомственность и организационно-техническая разобщенность заводов-поставщиков и потребителя. Элементы этих взаимоотношений наблюдаются даже внутри одного министерства — между ремонтными заводами и депо приписки подвижного состава МПС. Особую остроту приобретает этот вопрос в условиях новых методов планирования и экономического стимулирования. Зачастую ремонтные заводы МПС не проявляют особого интереса к задачам экономии металла и к восстановительно-упрочняющей технологии. Анализ потерь, резервов и эффективности повышения долговечности и надежности машин должен затрагивать экономику завода-изготовителя, ремонтного завода и экономику эксплуатации.
Детали подвижного состава | Исходная характеристика новой детали | Условия работы детали и допускаемая величина износа |
1. Тепловозы | ГОСТ 398—57. Углерода 0,57—0,65%, σв=85 кГ/мм3, НВ 243, V5 | Трение качения с проскальзыванием при высоких нагрузках. Скорости до 30 м/сек; состояние поверхностей трения различное (песок, влага и т. д.). Допускаемый износ (прокат) до 7 мм (грузовых) |
Подшипники качения буксовые; то же моторно-осевые | Сталь ШХ15, ГОСТ | Возможно возникновение больших удельных давлений по отдельным зонам в связи с неточностями обработки и сборки. Трение качения роликов по дорожкам различного диаметра, проскальзывания |
Подшипники скольжения буксовые; то же моторно-осевые | — | Трение скольжения при высоких нагрузках. Возможно неудовлетворительное смазывание |
Подпятники и скользуны | Сталь 12Х2Н4А, | Трение скольжения, связанное с динамическими качествами тепловоза. Неудовлетворительное смазывание. Возможны перекосы и недоиспользование контактных площадей с резким повышением удельных нагрузок |
Распространенный вид износа и повреждения детали | Возможный способ восстановления нормальных условий работы и упрочнения детали | Технико-экономическая эффективность упрочнения |
Фретинг-коррозия, ложное бринелирование | Введение сепараторов для игольчатых подшипников. Накатка закаленных цапф. Хромирование цапф | — |
Риски, задиры. Абразивный износ, возможно схватывание. Кавитация и коррозия со стороны охлаждающей полости | Своевременная очистка фильтров топливной и масляной аппаратуры. Очистка масла и воздуха. Хромирование по стали и ее азотирование. Электролитическое хромирование для восстановления размеров. Оптимальное сочетание углерода и кремния в паре с кольцом ≈ 5%. Алмазное хонингование. Поверхностное легирование и изотермическая закалка чугунов | Повышение износостойкости стальной втулки от хромирования в 3 — 5 раз по сравнению с легированным чугуном, а сопряженных колец в 2—3 раза. Наименьший износ хромового покрытия, сопряженного с чугунной поверхностью при твердости ≈ 1000 кГ/мм2 и пористости ≈ 15% |
То же | Сульфидирование. Хромирование. Закалка. Изыскание новых материалов | От сульфоцианирования износостойкость повышается в 3—6 раз. Хромированные кольца изнашиваются в 3—4 раза меньше, а втулки в 1,5—2 раза |
Износ полуды у ручьев поршня. Трещины. Пригорание в ручьях. Оплавление верха алюминиевого поршня. Износ направляющей части | Осталивание. Хромирование. Наплавка ручьев. Анодирование поршней из алюминиевых сплавов и приработка с дисульфидмолибденовым и графитовым покрытием. Восстановление наплавкой поршней из алюминиевых сплавов (сплавы ПС12, АК4, АК6). Горячее и холодное восстановление пуансонированием (с предварительным отжигом). Автоматическая наплавка в среде гелия. Керамические покрытия |
|
Детали подвижного состава | Исходная характеристика новой детали | Условия работы детали и допускаемая величина износа |
Цилиндровые крышки и клапаны |
|
|
Корпус распылителя и игла форсунки | 18Х2Н4ВА, ГОСТ |
|
Плунжерная пара | Сталь ШХ15, ГОСТ 801—60 с термообработкой и старением, HRC = 61 4-63; стали Р18, ГОСТ 5952—63 и 18Х2Н4ВА, ГОСТ 4543—61 | Высокие давления. Требуется высокая плотность |
Коленчатый вал | Сталь. Чугун высокопрочный с шаровидным графитом | Возможно появление абразива из воздуха и от коксования топлива и смазки и продуктов износа. Трение скольжения в подшипниках с нагружением шатунных шеек до 1 (ШкГ/см2. Возможны провисания валов, перекосы с резким возрастанием удельных нагрузок по отдельным зонам. В работе возможны явления резонанса, которым сопутствуют разрушения смазочного слоя и схватывание. Меняются температурные поля, появляется перегрев |
Подшипники коленчатых валов | Б83, БК2, алюминиевые сплавы А9-2 | Возможно разжижение смазки и попадание воды |
Распространенный вид износа и повреждения детали | Возможный способ восстановления нормальных условий работы и упрочнения детали | Технико-экономическая эффективность упрочнения |
Износ гнезд, трещины. Износ клапанов (пояса). Износ колпачков в контакте с бойком | — |
|
Рост диаметра распыливающих отверстий. Эрозия | Анодирование сталей 25Х5МА; нитроцементация. Хромирование. Азотирование. Доведение качества поверхности до ν 13. Повышение твердости конусов распылителей форсунок |
|
Трещины в гильзах, износ. Контактное схватывание, смятие, отпуск, окисление, эрозия и кавитация, абразивный износ, коррозия и пластическое деформирование | Хромирование поршня. Азотирование гильзы. Шлифовка. Старение. Нитроцементация |
|
Износ и овализация по направлению колена. | Своевременная очистка | От твердого никелирования износостойкость повышается в 4—5 раз. После хромирования на HV 600 молочный хром повышает износостойкость от 3 до 10 раз. Минимальный коэффициент трения в паре хром — баббит БК2 |
Усталостные и кавитационные разрушения. | Накатка алюминиевых сплавов. Введение приработочного оловянного слоя (=0,02 мм). Металлизация. Гальванические покрытия. Улучшение прилегания заливки к постели. Снижение толщины заливки баббита до 0,3 мм | При молочном хромировании шеек коленчатых валов износ вкладышей значительно снижается |
Продолжение
Распространенный вид износа и повреждения детали | Возможный способ восстановления нормальных условий работы и упрочнения детали | Технико-экономическая эффективность упрочнения |
Износ моторно-осевых вкладышей. Износ коллекторов и щеток | Обеспечить правильную |
|
— | Закалка т. в. ч. и обработка дробью. Наклеп. Нитроцементация шестерен | Повышение износостойкости от нитроцементации в 10— 15 раз |
Появление острого гребня, выщербин и износа | Правильное расположение колесных пар, изменение химического состава и термообработки. Наплавка | — |
Раковины на дорожках. Наклеп поверхностей и трещинообразование | Правильная сборка. Обеспечение трения со смазкой | — |
Возможно схватывание | Наплавки износостойкими электродами. Обеспечение правильной сборки и проверки размерных цепей по ТУ | Износ остается большим |
Абразивно-окислительный износ | То же | — |
Абразивно-окислительный износ и возможно схватывание | Обеспечение правильного контакта трущихся поверхностей. Купросульфоцементация. Укрытие от пыли и подача смазки | Купросульфоцементация повышает износостойкость в 2 раза |
Детали подвижного состава | Исходная характеристика новой детали | Условия работы детали и допускаемая величина износа |
Направляющие и | Ст. 3, ГОСТ 380—60 | Трение скольжения |
Ударно-упряжные устройства и упругие площадки | Корпус стальной, | То же |
Втулки и валики рессорного подвешивания | Ст. 3, ГОСТ 380—60 | Трение скольжения |
Втулки и валики ры- | Ст. 3, ГОСТ 380-60 | Удельные нагрузки до 500—600 кГ/см; |
чагов тормоза |
| Трение скольжения |
Фрикционные гасители колебаний | Шпинтон из стали 25ЛП. Втулки и сухари из стали 45 | Трение скольжения |
Гидравлические гасители колебаний | Направляющие из чугуна СЧ21-40. Корпус клапана, крышка и шток из стали 45 | То же |
Горизонтальные скользуны надрессорных балок | Скользун нижний из чугуна СЧ21-4 (надрессорная балка) | Работа при недостатке смазки и сильном запылении |
Примечание. В ряде случаев для восстановления деталей применяется клей ГЭП
Продолжение
Распространенный вид износа и повреждения детали | Возможный способ восстановления нормальных условий работы и упрочнения детали | Технико-экономическая эффективность упрочнения |
Абразивно-окислительный износ. Возможно схватывание | Купросульфоцементация | То же |
Абразивный и окислительный износ | Наплавка изнашиваемых частей головки лежачими электродами с флюсами (ЦНИИ МПС-АН-348А) | Повышение износостойкости |
Абразивный и окислительный износ | Обеспечение правильной | Нитроцементация повышает износостойкость в 10—15 раз |
То же | Обеспечение правильной сборки и проверка расчета размерных цепей. Наплавки специальными электродами. Применение полимеров. Нитроцементация. Применение керамических втулок | То же |
Абразивный и окислительный износ | Правильная затяжка пружин. Накатка шпинтонов. Согласованная сборка клинового механизма и контроль размерной цепи. Термообработка сухаря, втулки и кольца |
|
Окислительно-эрозионный износ (в масляной среде) | Накатка цилиндров и штоков. Купросульфидирование направляющих корпусов | Купросульфидирова - ние повышает износостойкость в 3 раза |
Абразивный износ. Возможно схватывание и задиры | Купросульфоцементация. | — |
Л. Я. Шухгальтер [78] выполнил и опубликовал интересные исследования по вопросам сопоставления дополнительных затрат ряда заводов с экономией в эксплуатации. Установлено, что эффективность дополнительных затрат завода-поставщика (или ремонтного завода), оправдываемых повышением долговечности и надежности, может быть оценена показателями относительной отдачи, т. е. отношением суммы годовой экономии на эксплуатационных расходах к коэффициенту приведенных затрат. Дополнительные годовые расходы завода-изготовителя или ремонтного завода могут быть определены из условия, что приведенные затраты равны дополнительным годовым текущим затратам в связи с повышением долговечности и надежности изделия, например на зарплату производственных рабочих, материалы, электроэнергию и т. д., суммированным с дополнительными капитальными вложениями в основные фонды, которые непосредственно обеспечивают повышение надежности и долговечности (технологическое или контрольное оборудование завода), помноженными на нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений. Последний может быть принят 0,33—0,5, что соответствует 2—3 годам срока окупаемости дополнительных капитальных вложений. Однако заводы могут изыскать эти средства в результате сокращения рекламаций и других непроизводительных затрат.
Это вопрос особенно важен, необходимо его глубокое изучение. Однако задачи внедрения новых технологических процессов, повышающих долговечность и надежность подвижного состава, требуют неотложного решения. При этом расчеты оптимального варианта процесса должны предусматривать общую заинтересованность в его быстром и широком внедрении. Современные достижения математики и счетно-решающей техники позволяют оценить большое количество вариантов технологии. При этом установившиеся закономерности процессов можно моделировать математически в виде систем линейных алгебраических уравнений и неравенств и разработать алгоритмы для нахождения оптимальных вариантов эксплуатации и ремонта подвижного состава.