Как оценить надежность тягового подвижного состава
В.В. ЗАК, начальник отдела ПКБ ЦТ ОАО «РЖД»
И.П. ВАСИЛЬЕВ, С.А. ДМИТРИЕВ, главные конструкторы
Одним из приоритетных направлений технической политики локомотивного комплекса в отношении тягового подвижного состава (ТПС), от которого в значительной мере зависят безопасность движения и эффективность работы транспорта на железных дорогах нашей страны, является обеспечение высокого уровня безотказности и готовности локомотивов [1].
НАДЕЖНОСТЬ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ТЕХНИКИ И ПОКАЗАТЕЛИ, ЕЕ ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ
Постоянное развитие договорных обязательств ОАО «РЖД» с заводами-изготовителями и сервисными компаниями приводит к необходимости изменения подходов к выбору и оценке показателей надежности перспективного ТПС, которые задаются на этапе проектирования локомотивов и отражаются в технических условиях на них. Одновременно с этим, они включаются в договоры поставки и сервисного обслуживания для обеспечения контроля ОАО «РЖД» за качеством выпускаемой предприятиями железнодорожной продукции и проведения ей технического обслуживания и текущего ремонта специализированными организациями.
В связи с этим Проектно-конструкторское бюро локомотивного хозяйства ОАО «РЖД» (ПКБ ЦТ) совместно с профильными институтами (АО «ВНИКТИ», АО «ВНИИЖТ», РУТ МИИТ, НИУ «МЭИ») осуществляет работы по установлению единого порядка нормирования и верификации показателей надежности на всех стадиях жизненного цикла.
В национальных и международных стандартах, распоряжениях ОАО «РЖД» и ранее действовавших инструкциях Министерства путей сообщения СССР изложена различная трактовка термина «надежность». Наиболее часто используется термин: «Способность выполнять предусмотренные техническими требованиями функции в течение определенной наработки или периода эксплуатации при установленных в нормативной и (или) технической документации условиях применения, технического содержания, хранения и транспортирования». В зависимости от назначения железнодорожной техники и условий ее применения вышеупомянутое качество может характеризоваться безотказностью, ремонтопригодностью, долговечностью, сохраняемостью и готовностью или определенными сочетаниями этих свойств [2, 3].
Согласно существующей в настоящее время в ОАО «РЖД» системе оценка надежности ТПС, выпускаемого заводами-изготовителями или находящегося на гарантийном обслуживании этими предприятиями после прекращения выпуска, осуществляется по двум основным группам показателей — параметр потока отказов установленного вида (безотказность) и коэффициент готовности. Указанные коэффициенты индивидуально задаются в технических условиях на каждую серию локомотива для оценки качества поставляемой продукции в процессе эксплуатации.
В соответствии с ОСТ 32.46—95 классифицируют три вида отказов [4]:
> первый — отказ ТПС, последствием которого является порча, вызвавшая вынужденную остановку пассажирского поезда на перегоне или промежуточной станции, если дальнейшее движение поезда продолжено с помощью вспомогательного локомотива;
> второй — отказ ТПС, последствием которого является неисправность, в результате которой допущена задержка поезда на пере
гоне хотя бы по одному из путей или на станции сверх времени, установленного графиком движения, на один час и более;
> третий — отказ ТПС, требующий выполнения локомотиву непланового ремонта.
Для объективности оценка надежности нового тягового подвижного состава осуществляется независимо от количества обслуживаемых локомотивов и полигонов их эксплуатации на основании удельных показателей. В качестве них выбраны [5]:
V для магистральных локомотивов — удельное количество отказов на 1 млн км пробега
ш1,2,з= ^1,2,з ■ юб/|-л;
V для маневровых локомотивов — удельное количество отказов на 1 000 отработанных часов
•103/L„,
где 1_л - пробег ТПС за отчетный период, км (наработка маневровых локомотивов за отчетный период, ч);
N,, N2, N3 — количество отказов 1-го, 2-го и 3-го видов соответственно в течение отчетного периода.
В дополнение к удельному количеству отказов с учетом их видовой классификации в технических условиях на продукцию железнодорожного транспорта, как правило, указывают комплексные пока
затели надежности:
коэффициент внутренней готовности (Квг):
^вг= ТрС/ГГф - (Тпл + Тлог +ТДДМ)],
коэффициент технической готовности (Ктг):
^тг= ТрС/[Тф - (Тлог +ТДДМ)],
где Тф = Трс + Тот + Тпл + Тлог + ТАДМ — фонд времени локомотива (часы) в рассматриваемом периоде эксплуатации, складывающийся из времени его пребывания в работоспособном (Трс) и неработоспособном состояниях.
Неработоспособное состояние классифицируется (см. рисунок) следующим образом:
V Тот—неплановые ремонты;
V Тпл — планово-предупредительные ремонты, работы по продлению срока службы, технические обслуживания и модернизации;
V Тлог — логистические задержки;
V ТДдМ — административные задержки.
Оба показателя характеризуют долю нахождения подвижного состава в работоспособном состоянии с учетом потерь времени на неплановые (Квг) и плановые (Ктг) ремонты за отчетный период.
Многофакторный анализ параметров потока отказов и коэффициентов готовности локомотивов и их комплектующего оборудования, а также изучение и исследование свойств безотказности сложных систем, проводимые специалистами ПКБ ЦТ, позволили выявить несовершенства существующей системы оценки надежности ТПС.
ИЗМЕНЕНИЕ ПОДХОДОВ К НОРМИРОВАНИЮ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ И ГОТОВНОСТИ ЛОКОМОТИВОВ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Ранее показатели безотказности и готовности задавались на серию локомотива как на конструктивную единицу без учета многосекционного исполнения и индивидуальных конструктивных особенностей (как пример, тепловозы серии 2(3)ТЭ 116У или электровозы серий 2(3,4)ЭС5К и 2(3)ЭС4К). Однако сегодня с учетом появления множества современных локомотивов, имеющих индивидуальную конструкцию каждой секции, сниженную общую нагрузку на узлы ТПС при увеличении числа секций, а также возможность отключения части узлов без потери общей работоспособности, резервирования узлов и агрегатов, возникает необходимость дифференцирования установленных в технических условиях нормативных величин расчетно-экспериментальными методами согласно ГОСТ Р 27.301—2011 и ГОСТ Р
51901.15— 2005 на основе эксплуатационной и ремонтной моделей ТПС.
Согласно законам теории надежности, вероятности безотказной работы каждой составной части, влияющей на общую работоспособность системы (отсутствие резервирования), должны умножаться между собой. В результате чего итоговая вероятность безотказной работы будет меньше каждой из составляющих степеней возможности ее обеспечения [1]:
Рс(1) = Р1(1)-Р2(1)-...-Рп, (I)
где Рс(1) - вероятности безотказной работы системы (при отсутствии резервирования);
Р,(1), Р2(1), Рп(1) - степени возможности обеспечения исправ-
ной работы каждой составной части, влияющей на общую работоспособность системы.
Одновременно параметры потоков отказов 1-го и 2-го видов должны учитывать возможность резервирования, повышающуюся с увеличением числа секций локомотивов. Очевидно, что вероятность вызова вспомогательного локомотива для двухсекционного локомотива значительно меньше, чем для односекционного. В этом случае выход из строя одного элемента не приводит к отказу всей системы. Система с резервом может выполнять свои функции при наличии повреждения, но с меньшей надежностью [1]:
Pc(l)=1 -[1 -Р/ОЬП - P2(l)b...-[1 - Pn(l)].
При этом недостаточно умножать вероятности безотказной работы для каждой секции. Необходимо учитывать индивидуальность и сложность конструкции не только каждого локомотива (количество осей, секций, типов систем питания тягового привода, наличие резервных схем), но и комплектующего оборудования (количество сборочных элементов, наличие резервных блоков и собственных защитных механизмов).
Поэтому для обеспечения корректного задания показателей надежности на стадии проектирования инновационного подвижного состава на перспективу до 2025 г. и далее разработчику рекомендуется выполнять следующие работы:
& расчеты нормативных величин показателей безотказности и готовности с учетом требований ГОСТ 27.301—2011 и ГОСТ Р
51901.15— 2005;
расчеты прочности узлов локомотива согласно ГОСТ Р 57445—2017;
ст* разработку необходимых методик испытаний, включающих порядок планирования испытаний и контроля показателей без
отказности, ремонтопригодности и готовности в соответствие с ГОСТ 27.301—2011, ГОСТ Р 27.403—2009, ГОСТ Р 27.404—2009, ГОСТ Р 27.405—2011, РД 50-204, РД 50-690 и РД 50-519;
исследования модели отказов локомотива в части формулирования фактического вида функции распределения наработки между отказами и продолжительности периода приработки согласно ГОСТ Р МЭК 61650 и ГОСТ Р МЭК 60605-6.
УЧЕТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ УЧАСТНИКОВ ПЕРЕВОЗОЧНОГО ПРОЦЕССА В РАСЧЕТЕ НАДЕЖНОСТИ
В перевозочном процессе совместно с ОАО «РЖД» участвуют поставщики ТПС и его комплектующих, а также сервисные организации, обеспечивающие их обслуживание и ремонт. Каждая из этих организаций влияет на уровень реализуемых в эксплуатации локомотивами показателей безотказности и готовности:
> заводы-изготовители — качество сборки ТПС и монтажа комплектующего оборудования, эффективность примененных на локомотивах конструкторских решений и оперативность устранения гарантийных отказов;
> сервисные организации — качество, скорость и своевременность выполнения технических обслуживаний, текущих, средних и капитальных видов ремонта, устранение возникающих в эксплуатации отказов, своевременность экипировки ТПС;
> ОАО «РЖД» - правильность эксплуатации подвижного состава в соответствии с установленными нормами и индивидуальными требованиями эксплуатационной документации на локомотив.
Информация о происходящих с ТПС в эксплуатации событиях отражается в хранящихся у вышеупомянутых организаций бумажных формах статистического учета и отчетности, данные из которых в дальнейшем в ограниченном объеме аккумулируются в различные автоматизированные системы (АСУТ, КАС АНТ, АСОУП, ИХЛП, АС ЭП и др.). По анализируемой из этих систем информации специалисты ОАО «РЖД» комплексно оценивают надежность ТПС и эффективность каждого из влияющих на нее участников перевозочного процесса.
Однако из-за ограниченности аккумулируемых и засекреченности ряда коммерческих данных существующие автоматизированные системы не позволяют в полной мере определить ответственность за происходящие неплановые ремонты, логистические и административные задержки. Кроме того, невозможно разработать объемные меры по их предупреждению и доработке самих мер в части установления взаимосвязей между отдельными системами. Поэтому требуется создание нового единого информационного программного продукта.
Одновременно с этим при учете разделения ответственности по участникам перевозочного процесса для корректировки времени в работоспособном состоянии при расчете коэффициентов Квг и Ктг для одной организации за счет времени простоя на ремонтах по вине другого предприятия требуется изменение существующего подхода расчета комплексных показателей надежности в части оптимизации составляющих фонда времени (Тф) локомотива:
Тф = Трс + Тот + твсо + тпл + тлог + ТАДМ,
где Твсо — время нахождения в неработоспособном состоянии по вине сторонней организации по отношению к организации для которой ведется расчет;
Тот— неплановые ремонты;
Тпл — планово-предупредительные ремонты, работы по продлению срока службы, технические обслуживания и модернизации;
Тлог — логистические задержки;
Тддм — административные задержки.
Подобное нововведение позволит в полной мере определять ответственность за происходящие неплановые ремонты, логистические и административные задержки, а также объективно оценивать роль каждой из ранее упомянутых сторон в формировании надежной работы локомотива.
ЕДИНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПОДХОДОВ К ОЦЕНКЕ НАДЕЖНОСТИ
Как уже было отмечено в предыдущем блоке статьи, для повышения качества вносимой информации в электронные системы и объективности многофакторного анализа надежности ТПС требуется установление взаимосвязей между отдельными автоматизированными системами или разработка новой, включающей в себя функции существующих:
V КАС АНТ — дает возможность определить место возникновения отказа с наибольшей оперативностью;
V АСОУП и АСУТ — позволяют определить время на передислокацию ТПС, время в ожидании ремонта;
V электронный паспорт локомотива АС ЭП — отражает смененное в процессе ремонта оборудование, данные о его производителе и дате установки на подвижной состав.
При этом существенный объем информации, например, данные о трудоемкости и материальных затратах сервисных компаний на ремонты и обслуживание локомотивов, не доступен для ОАО «РЖД».
Для получения доступа к отдельной засекреченной информации предприятий-участников перевозочного процесса, а также обобщения, «очистки» и анализа больших данных о технических средствах на всем их жизненном цикле в ОАО «РЖД» ведутся разработки цифровой технологической блокчейн-платформы «Доверенная среда локомотивного комплекса» и метода доступа в нее — единой информационной системы локомотивного комплекса ЕК АСУТ.
В перспективе внедрение в эксплуатацию вышеуказанных цифровых средств позволит автоматизировать деятельность по учету отказов ТПС. Так, по факту захода локомотива в депо будут проводиться осмотр и составляться электронный акт осмотра, представляющий собой интерактивную установленную форму с необходимыми к заполнению полями, из которой данные будут попадать затем в различные отчеты по неисправностям подвижного состава и последующие документы, такие как акты-рекламации.
Акты-рекламации также будут представлять собой интерактивную форму, дополненную указанием ответственности за отказ и точной причиной неисправности с выводами о причинно-следственной связи. Аналогичный предыдущим документам электронный акт выполненных работ будет дополнен трудоемкостью и стоимостью ремонта, а также замененным оборудованием, данные о котором будут интегрироваться из электронного паспорта.
Помимо интеграции существующих систем в единую, потребуется разработка новых элементов, например, общего классификатора оборудования, выстроенного в иерархич-ном порядке от системы к агрегатам, далее — к узлам и отдельным деталям.
Дополнительно по каждому комплектующему изделию будут указываться возможные функциональные отказы — полное прекращение работоспособности, утрата возможности удовлетворять предъявленным требованиям к его характеристикам, прерывистое функционирование.
Одновременно с этим для каждого функционального отказа будут описываться возможные причины (здесь находит применение классификация по ГОСТ 27.002—2015: конструктивный, производственный, эксплуатационный, деградационный), а финальным звеном единой системы станет оценка последствий — вызов вспомогательного локомотива, задержка на перегоне, постановка на неплановый ремонт.
Таким образом, каждой неисправности будет соответствовать электронная карточка, содержащая оптимальный объем информации, необходимой для продуктивного последующего мониторинга, анализа и минимизации влияния человеческого фактора.
Увеличение объемов грузоперевозок и изменение договорных обязательств между ОАО «РЖД» и поставщиками тягового подвижного состава, обусловленные развитием и ростом мировой экономики, ставят в приоритете перед всем локомотивным комплексом задачу обеспечения высокого уровня надежности локомотивов.
В ближайшей перспективе развитие подходов к оценке данного качества вновь выпускаемых локомотивов заключается в актуализации положений для расчета уровня безотказности и готовности ТПС по результатам эксплуатации. Кроме того, необходима разработка методики нормирования показателей надежности подвижного состава с учетом его секционности, способности систем к резервированию и доработка автоматизированных систем учета состояний парка технических средств ОАО «РЖД».
В долгосрочной перспективе развитие методов оценки надежности перспективных локомотивов на всех этапах жизненного цикла лежит в реализации документированных процедур менеджмента риска, предусматривающих проведение анализа видов и последствий отказов FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) и распространенных сегодня в железнодорожных аналитических центрах стран Европы, Америки, Канады и Китая. В процессе FMEA:
- определяются наименее надежные элементы конструкции ТПС или его компонентов, принимаются решения, направленные на повышение надежности локомотива;
- проводится анализ вариантов конструкторских решений с наименьшими рисками дефектов;
- выбираются альтернативные конструкторские и технологические решения, снижающие риски с учетом уровня технологичности производства, снижения стоимости и повышения функциональной работоспособности ТПС или его компонентов;
- определяются требования к технологическому процессу и производству, требующие безусловного выполнения.
Первичная информация о надежности локомотивов доводится ОАО «РЖД» до заводов-изготовителей тягового подвижного состава, в основном, на этапе эксплуатационных испытаний и рядовой эксплуатации. За рубежом такая информация непосредственно используется машиностроителями на этапе проектирования уже новых локомотивов с разработкой различных вариантов технических решений, снижающих риски производителя. А это, в свою очередь, способствует снижению рисков заказчика.
Для реализации вышеуказанных предложений целесообразно создать единый центр проектного менеджмента на этапах жизненного цикла тягового подвижного состава. В перспективе это позволит ОАО «РЖД» формировать модели надежности индивидуально для каждой серии локомотивов и прогнозировать изменение данного качества ТПС в зависимости от любого внешнего или внутреннего фактора. Кроме того, появится возможность применять менеджмент рисков на всех этапах жизненного цикла как при постановке на производство новых типов локомотивов, так и при организации их эксплуатации и сервисного обслуживания на полигонах железных дорог России.
Библиография
1. Надежность тепловозов: учеб, пособие / В.Г. Кочерга. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС. 2012.
2. ГОСТ 27.002—89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.
3. ГОСТ 32192—2013. Надежность в железнодорожной технике. Основные понятия. Термины и определения.
4. ОСТ 32.46—95. Тяговый подвижной состав железнодорожного транспорта. Надежность. Термины и определения.
5. Методические положения для расчета показателей безотказности и готовности локомотивов по результатам эксплуатации, утвержденные распоряжением ОАО «РЖД» от 12.11.2008 № 2367р.
