Нормирование надежности локомотивов: показатели, методы контроля и статистический анализ

Нормирование надежности представляет собой процесс установления в нормативной и конструкторской документации количественных и качественных требований к надежности локомотивов. Данный процесс включает несколько ключевых этапов: выбор номенклатуры нормируемых показателей надежности, технико-экономическое обоснование их значений, задание требований к точности и достоверности исходных данных, формулирование критериев отказов, повреждений и предельных состояний, а также определение методов контроля надежности на всех этапах жизненного цикла тягового подвижного состава. Комплекс качественных требований охватывает конструктивные решения, технологию изготовления и правила эксплуатации, неукоснительное выполнение которых является обязательным условием обеспечения заданного уровня надежности.

Конструктивные способы обеспечения надежности регламентируются требованиями к кратности резервирования, равнопрочности составных частей, качеству и надежности комплектующих изделий, свойствам конструкционных и смазочных материалов. Важное значение придается блочности конструкции, доступности к местам смазки и легкости замены блоков или составных частей при возникновении отказов. Производственно-технологические способы включают требования к наличию сертификата системы качества производства, способам и продолжительности обкатки, методам контроля параметров технологических процессов, способам упрочнения деталей, а также периодичности и объемам контрольных испытаний на надежность. Эксплуатационные способы определяют режимы и условия эксплуатации, квалификацию обслуживающего персонала, периодичность и объемы работ при технических обслуживаниях и ремонтах, а также состав запасных частей, инструмента и принадлежностей (ЗИП).

Нормируемый показатель надежности представляет собой показатель, значение которого регламентировано нормативной и конструкторской документацией на локомотив. В качестве нормируемых могут использоваться один или несколько показателей, при этом общее их число должно быть минимальным. Нормируемые показатели обязаны обладать простым физическим смыслом, допускать возможность расчетной оценки на этапе проектирования, статистической оценки и подтверждения по результатам испытаний и эксплуатации. Численные значения этих показателей, включаемые в техническое задание, технические условия и нормативную документацию, приводятся с указанием условий их определения, например, периода от начала эксплуатации до текущего ремонта определенного объема, с заданным уровнем доверительной вероятности и относительной ошибки.

Контроль надежности и методы определения показателей. Контроль надежности представляет собой процедуру проверки соответствия локомотива установленным требованиям к надежности. Определение численных значений показателей надежности может осуществляться тремя основными методами. Расчетный метод базируется на вычислении показателей по справочным данным о надежности комплектующих элементов, сведениям о надежности аналогов, данным о свойствах материалов и иной информации, доступной на момент оценки. Расчетно-экспериментальный метод предполагает определение показателей надежности комплектующих элементов по результатам испытаний или эксплуатации с последующим расчетом показателей локомотива в целом по математической модели. Экспериментальный метод основывается на статистической обработке данных, получаемых при испытаниях или эксплуатации локомотива как единого целого.

Процедура контроля нормируемых численных значений показателей надежности локомотивов включает несколько последовательных этапов. Первоначально осуществляется выбор метода контроля показателей надежности, затем производится получение и математическая обработка исходных данных. Далее выполняется сопоставление достигнутого уровня надежности с требованиями нормативной и конструкторской документации, на основании чего принимается решение о соответствии или несоответствии локомотива установленным требованиям. Завершающим этапом является анализ причин и последствий отказов с целью разработки мероприятий по повышению надежности локомотивного парка.

Статистический анализ надежности локомотивов. Наиболее объективные сведения о надежности локомотивов могут быть получены из статистических данных о неисправностях и отказах, зафиксированных при эксплуатации генеральной совокупности множества локомотивов. Однако в большинстве практических случаев получение информации обо всех элементах генеральной совокупности невозможно, поэтому используется случайная выборка — часть генеральной совокупности, отобранная случайным образом. Оценки показателей надежности, полученные по выборкам, могут представляться в виде точечных оценок либо в виде доверительных границ (верхней и нижней), которые являются крайними точками доверительного интервала, накрывающего оцениваемый показатель с заданной доверительной вероятностью.

Точность оценки надежности находится в прямой зависимости от объема наблюдений: чем больше объем выборки, тем меньше ошибка между точечной оценкой и действительным неизвестным значением показателя. При использовании интервальных оценок увеличение объема наблюдений уменьшает ширину доверительного интервала при фиксированной доверительной вероятности. Существует два статистических метода расчета минимального числа объектов наблюдений: параметрический, при котором известен вид закона распределения случайной величины, и непараметрический, когда вид закона распределения неизвестен.

Учитывая, что надежность локомотивов и их сборочных единиц в большинстве случаев является высокой, для получения качественной исходной информации требуется либо значительная продолжительность наблюдений, либо большой объем выборки. Расчет оценок показателей надежности в значительной степени определяется видами плана наблюдений (испытаний) и законом распределения наработки на отказ. Выбор конкретного плана наблюдений зависит от множества факторов, включая номенклатуру показателей и условия эксплуатации.

Исследование надежности локомотивов может осуществляться в двух принципиально различных направлениях. Первое направление ориентировано на выявление реально существующих закономерностей отказов локомотивов и их элементов для принятия мер по повышению надежности, при этом необходимо максимально точно следовать экспериментальным данным, полученным по результатам эксплуатации, не стремясь подогнать их под теоретические законы распределения. Второе направление предполагает «измерение» надежности или использование экспериментальных данных в дальнейших теоретических исследованиях, когда фактическое распределение того или иного показателя аппроксимируется одним из теоретических распределений.

Принципы управления надежностью локомотивов. Полный цикл создания и использования локомотивов подразделяется на два основных периода: период создания и период использования. Период создания включает научно-исследовательские разработки, проектирование, изготовление опытных образцов, их испытания и доводку, а также организацию серийного производства. Период использования охватывает эксплуатацию, включающую работу, техническое обслуживание и ремонт, а также пребывание в запасе в работоспособном состоянии. На протяжении всего цикла действуют многочисленные факторы, приводящие к разбросу конструктивных, технологических и эксплуатационных показателей и параметров, влияющих на рабочие свойства локомотивов и способность сохранять их, то есть на надежность.

Существование распределений рабочих свойств, условий эксплуатации и режимов работы неизбежно приводит к разбросу длительности работы до отказа как отдельных сборочных единиц и деталей, так и локомотивов в целом. Это объясняется тем, что длительность работы до отказа является функцией как рабочих свойств, так и условий эксплуатации. Фактический уровень надежности локомотивов реализуется в конкретных условиях системы ремонтного обслуживания, включающей виды и цикличность ремонтов, техническую оснащенность ремонтного производства и другие параметры.

Между надежностью локомотивов и системой их ремонтного обслуживания существует как прямая, так и обратная связь. Обратные связи также присутствуют между процессом создания локомотивов и их надежностью, а также между режимами работы и надежностью. Благодаря наличию таких связей становится возможной оптимизация процесса создания локомотивов с минимизацией общих затрат на создание, эксплуатацию и ремонтное обслуживание.

В зависимости от затрат при создании локомотивов обеспечиваются определенные рабочие характеристики и соответствующий уровень надежности. На стадии использования под воздействием условий эксплуатации, режимов работы с эксплуатационными нагрузками и параметров системы ремонта реализуется некоторый уровень эксплуатационной надежности, а также формируются затраты на эксплуатацию и ремонт. Таким образом, уровень надежности локомотивов фигурирует в двух сопряженных функциональных зависимостях: в сфере производства надежность выступает как функция затрат, тогда как в сфере эксплуатации затраты являются функцией надежности.

Суммарные затраты на протяжении жизненного цикла представляют собой функцию рабочих свойств, заложенных при создании, нагрузок, обусловленных конкретными условиями эксплуатации и режимами работы, а также параметров системы ремонта. Следовательно, надежность локомотивов служит основой для выбора стратегии на стадиях изготовления, использования и ремонтного обслуживания. Только комплексный подход к оптимизации процессов создания, использования и ремонтного обслуживания локомотивов как единого цикла позволяет повысить эффективность тягового подвижного состава в соответствии с предъявляемыми требованиями.

Экономические аспекты нормирования и управления надежностью. Технико-экономическое обоснование значений показателей надежности занимает центральное место в процессе нормирования, поскольку установление чрезмерно высоких требований приводит к неоправданному удорожанию производства, тогда как заниженные требования влекут за собой повышенные эксплуатационные расходы и снижение безопасности движения. Оптимальный уровень надежности соответствует минимуму суммарных затрат на создание и эксплуатацию локомотивов с учетом потерь от простоев и внеплановых ремонтов.

При нормировании надежности учитываются такие экономические факторы, как стоимость изготовления локомотива, затраты на техническое обслуживание и ремонт в течение срока службы, убытки от недоиспользования пропускной способности участков при отказах, а также расходы, связанные с содержанием ремонтной инфраструктуры и запасных частей. Важным аспектом является также учет вероятности и последствий отказов, влияющих на безопасность движения, что требует применения риск-ориентированного подхода при установлении требований к надежности отдельных систем и элементов.

Методы управления надежностью на протяжении жизненного цикла включают непрерывный мониторинг фактического уровня надежности, анализ причин отказов, корректировку конструкторской и технологической документации, совершенствование системы технического обслуживания и ремонта. Реализация обратных связей между этапами создания и эксплуатации позволяет накапливать опыт и последовательно повышать надежность вновь создаваемых локомотивов с учетом реальных условий их работы.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Анисимов П.С., Винокуров В.А., Воробьев В. И., и др.

Источник: Подвижной состав железных дорог

Данные публикации будут полезны студентам железнодорожных специальностей (эксплуатация железных дорог, подвижной состав), начинающим специалистам в области локомотивостроения и эксплуатации тягового подвижного состава, а также всем, кто интересуется устройством, классификацией и современными тенденциями развития железнодорожной техники.