Прогнозирование потребности в колесных парах грузовых вагонов и совершенствование технологии их ремонта на железных дорогах Республики Узбекистан

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель
работы, ее научная новизна, теоретическая и практическая значимости.
В первой главе произведен анализ основных статистических показателей
работы железнодорожного транспорта и современного состояния инвентарного
парка грузовых вагонов Республики Узбекистан, а также выполнен краткий
обзор характеристик ремонтной базы грузовых вагонов страны.
Значительный вклад в исследования эксплуатации и совершенствование
технологии ремонта вагонных колес внесли советские, российские и зарубежные
ученые. В работах С.В. Алехина, А.П. Буйносова, А.Ф. Богданова,
А.А. Воробьева, Д.Г. Евсеева, С.М. Захарова, И.А. Иванова, С.В. Калетина,
С.В. Кротова, Д.П. Кононова, К.П. Королева, Н.Н. Кудрявцева, Д.П. Маркова,
А.М. Орловой, Г.И. Петрова, Ю.С. Ромена, Р.В. Рахимова, В.И. Федоровой, а
также зарубежных ученых Е.Ж. Армарего, Ф. Арчарда, Ф.П. Боудена, К.Л.
Джонсона, Ф. Картера, К. Коттанео, А. Сладковского, Е.М. Трента и др.
рассматривались основные положения и факторы, влияющие на ресурс колеса,
показатели надежности подвижного состава и методы их расчета, указаны
основные направления по увеличению ресурса колес, а также снижению износа
профилей колес и рельсов.
В настоящее время на узбекской железной дороге отцепки вагонов в
текущий ремонт по неисправностям колесных пар составляет более 45 % от
общего количества отцепок. Основные причины отцепки связаны с
интенсивностью износа и повреждаемостью колесных пар. По итогам 2020 года
в текущий ремонт было отцеплено более 6000 грузовых вагонов по
неисправностям колесных пар. Анализ отцепок грузовых вагонов в текущий
ремонт показал, что самыми распространенными видами отказов по
неисправностям колесных пар являются тонкий гребень – 55 %, и выщербина
обода колеса – 25 %, от общего количества отцепок по колесным парам. Таким
образом, для снижения частоты отцепок в неплановый ремонт по
неисправностям колесных пар становятся весьма актуальными исследования
процессов взаимодействия подвижного состава и железнодорожного пути.
Во второй главе выполнен анализ надежности колесных пар парка
грузовых вагонов Республики Узбекистан и инновационных вагонов РФ,
рассмотрены основные статистические показатели их работоспособности, а
также наработка на отказ колесных пар вагонов, непосредственно влияющая на
безопасность движения поездов.
Анализ ситуации, изложенный в настоящим разделе, относится к грузовым
вагонам, установленным на тележках модели 18-100 и их аналогам с колесами,
изготовленными из стали марки «2», которые представляют более 97 % парка
грузовых вагонов Республики Узбекистан. Вагоны на тележках модели 18-100,
находящиеся в эксплуатации характеризуются существенным распределением
наблюдаемых толщин гребней колес, разности толщин гребней, темпов износа
гребней колес. Причем распределения могут быть различными в зависимости от
типа вагона и от маршрута следования.
В Республике Узбекистан на сегодняшний день инновационные вагоны
массово не эксплуатируются. В связи с этим, по оценке надежности колесных
пар инновационных вагонов в качестве поднадзорных вагонов выбраны
инновационные полувагоны модели 12-9853 и вагоны-хопперы модели 19-9870-
01 принадлежности Российской Федерации в общем количестве 400 единиц по
каждому типу, и были проанализированы данные по отцепкам в текущий ремонт
поднадзорных инновационных вагонов.
Полувагоны модели 12-9853Хопперы модели 19-9870-01
аа

бб

Рисунок 1 – Зависимость количества отцепленных вагонов по неисправности тонкого
гребня (а) и выщербин обода колеса (б) от пробега вагонов до отцепки на ТР-2

Как видно из рис. 1 отцепки производились на полувагонах по
неисправности тонкого гребня и выщербин при пробеге от 150-600 тыс. км.
Максимальное количество отцепок полувагонов составляет при пробегах от 300-
350 тыс. км, и отцепка вагонов хопперов по вышеуказанным дефектам
осуществлялась при пробеге от 50-225 тыс. км. Причем отцепки вагонов –
хопперов модели 19-9870-01 по выщербинам достигли максимума раньше, чем
по износу гребня.
По результатам эксплуатационных наблюдений за инновационными
вагонами и обычными полувагонами, а также на основе данных ПКБ ЦВ ОАО
«РЖД» построен график вероятности безотказной работы от пробегов вагонов
до отцепки по неисправностям колесных пар. Из графика видно, что колесные
пары инновационных полувагонов могут иметь пробег до 600 тыс. км, и при этом
не отцепляться в текущий отцепочный ремонт по неисправностям тонкого
гребня и выщербин. По результатам расчетов построен график вероятности
безотказной работы пробега вагонов до отцепки, представленный на рисунке 2.

1-отцепка по тонкому гребню 12-9853, 2-отцепка по выщербине 12-9853, 3-отцепка по
тонкому гребню 19-9870-01, 4-отцепка по выщербине 19-9870-01, 5-отцепка по тонкому
гребню 12-132, 6-отцепка по выщербине 12-132
Рисунок 2 – График вероятности безотказной работы пробега полувагонов моделей 12-9853,
12-132 и хопперов модели 19-9870-01 до отцепки в ТР-2.

Анализ отказов по неисправности колесных пар инновационных вагонов
показал, что на ресурс колес оказывает влияние не только материал колес и
ходовых частей, но и устройство самого вагона и условия его эксплуатации.
Ресурс колес одного типа в одинаковых тележках оказался существенно ниже у
вагонов-хопперов модели 19-9870-01. По результатам поднадзорной
эксплуатации инновационных и обычных вагонов была рассчитана наработка на
отказ и среднее количество отказов на 1 млн. км, представленные в таблице 1.

Таблица 1 – Показатели надежности колесных пар по результатам поднадзорной
эксплуатации
СреднееМаксимальный
Наработка на количествотемп износа
Тип вагона Код неисправности
отказотказов нагребней,
1 млн. кммм/км 10-4
Полувагон 102 (тонкий гребень) 348 тыс. км3,6
0,23
12-9853107 (выщербина)423 тыс. км2,8
Хоппер107139 тыс. км7,7
0,49
19-9870-01102164 тыс. км7,3
Полувагон102101 тыс. км7,9
0,8
12-132107109 тыс. км7,5
В третьей главе представлена научно-обоснованная методика расчета
потребности парка грузовых вагонов в цельнокатаных колесах и осях,
отличающаяся с учетом вероятности изменения толщины гребня, при
возникновении ползунов и выщербин, с целью минимизации рисков для всех
участников перевозочного процесса.
Выполненный обзор и анализ показал, что существующие на сегодняшний
день методы прогнозирования потребности в колесных дисках и осях для
грузовых вагонов не в полной мере отвечают современным требованиям и
отстают от новых уровней развития автоматизированных средств учета вагонов.
Проведенный анализ вопроса позволил построить логическую и структурную
схему расчета потребности в колесных дисках и осях (рис. 3).

Рисунок 3 – Схема определения потребности в колесных дисках и осях

Основным критерием изъятия колес из эксплуатации является толщина
обода. Оценку потребности в колесах предлагается вести по толщине обода
колес. Для грузовых вагонов минимальная толщина обода составляет 22 мм.
Уменьшение толщины обода ниже этой величины ведет к исключению колеса из
эксплуатации. Толщину обода колес предлагается рассматривать отдельно для
инновационных вагонов с осевой нагрузкой 25 тс и обычных вагонов с осевой
нагрузкой 23,5 тс. Таким образом, расход колес на выполнение годового
грузооборота составит:
Ni  N Иi  NОi ,(1)
где NИi – расход колес в год для вагонов с осевой нагрузкой 25 тс;
NОi – расход колес в год для вагонов с осевой нагрузкой 23,5 тс;
i – расчетный год.
Для перехода от расхода толщины обода за год эксплуатации к расходу
колес в год предлагается использовать соотношение:
Ri
Ni ,(2)
TПОЛ
гдеRi – расход (уменьшение) толщины обода колес за год;
TПОЛ – полезная толщина;
Т ПОЛ  Т ИЗГ  Т МИН ,(3)
где ТИЗГ – средняя толщина обода при изготовлении равна 75 мм;
ТМИН – минимально допустимая толщина обода в эксплуатации – 22 мм;
Дополнительно необходимы колеса при изготовлении новых вагонов
инновационного и обычного типов:
N НОВi  N НОВ Иi  N НОВ Оi ,(4)
где N НОВ i  8 N ВАГ И i – потребное количество колес для вагонов с осевой нагрузкой
25 тс. в год i; N НОВ i  8 N ВАГ Оi – потребное количество колес для вагонов с осевой
нагрузкой 23,5 тс в год i;
Следовательно, суммарная годовая потребность в колесах N  i будет равна
расходу колес на выполнение годового грузооборота Ni и необходимого
количества колес для нового вагоностроения NНОВi.
N  i  Ni  N НОВi ,(5)
или по типам колес:
N  23,5i  NОi  N НОВ Oi
,(6)
N  25i  N Иi  N НОВ Иi
где Ni – планируемый объем производства грузовых вагонов в год i.

На основе разработанной методики расчитана потребность в колесах и
осях для парка грузовых вагонов Республики Узбекистан. Расчетные данные
представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты расчета баланса колес и осей по разработанной методике для
парка грузовых вагонов Республики Узбекистан
№ Наименование20202021
1. Парк грузовых вагонов, ед.2065020300
Расход колес в эксплуатации и ремонте:
2.986010264
– обычные вагоны, шт.
Расходы на новое вагоностроение:
3.72008000
– обычные вагоны, шт.
ВСЕГО расход колес, шт.1706018264
4. Закупки колес, шт.1000010000
5. Баланс колес, шт.- 7060- 8264
6. Колеса от исключенных вагонов, шт.26402500
Баланс колес с учетом колес от исключенных
7.- 4420-5764
вагонов, шт.
8. Баланс чистовых осей, шт.- 5026- 4890
9. Оси исключенных вагонов, шт.13201248
Баланс осей с учетом осей от исключенных
10.- 3706- 3642
вагонов, шт.

Расход и поступление колесных пар от исключаемых вагонов отдельно в
расчет не включается, так как колесные пары при исключении вагонов
продолжают эксплуатироваться и расход их ресурса учитывается по расходу
толщины гребня вагонов эксплуатационного парка. По результатам расчетов
даны рекомендации по увеличению закупок колес.
В четвертой главе рассмотрен вопрос влияния погрешностей и ошибок
измерения на частоту отцепок в ТР2, а также в рамках математической модели
оптимизирована технология восстановления профиля поверхности катания
колес, обеспечивающая максимальный ресурс колеса и минимальную
вероятность отцепки по неисправностям колесных пар на железных дорогах
Республики Узбекистан.
Отправления вагонов под погрузку с толщиной гребня менее 26 мм, могут
быть связаны с погрешностями произведенных измерений. При измерении
толщины гребня горизонтальным движком абсолютного шаблона погрешность
σпог равна около 0,5 мм, ошибка измерения осмотрщика вагонов σоо
приблизительно равна 0,5 мм, а также гребень имеет разную толщину по кругу
катания σоткл = ± 0,3 мм. Таким образом, среднюю ошибку измерения можно
рассчитать следующим образом:

    пог
  оо
  откл
 0,52  0,52  0,32  0,77 мм;
Определена вероятность безотцепочной эксплуатации вагона с
различными толщинами гребней 24 мм, 25 мм, 26 мм, считая, что полученные
случайные значения связаны с ошибками измерения и неравномерностью
толщины гребня, которые распределены по нормальному закону с параметрами:
m = 24, 25, 26. Вероятность безотцепочной эксплуатации колеса рассчитывается
при условии:
xm
P(α < X < β) = F(β) – F(α), где F(Х) – функция распределения равна F ()   m m табличная функция Гаусса будет равна P(α < X < β) = F() – F();  Таблица 3 – Определение вероятности отцепок вагона в ТР-2 по тонкому гребню Измерение горизонтальным движкомИзмерение браковочным вырезом σ = 0,77 мм Гребень 24 мм: m = 24,1 мм; σ = 0,77 мм;Гребень 24 мм: m = 24,1 мм; β = ∞; α = 24 мм;σ = 0,3 мм; β = ∞; α = 24 мм; 124  24,1 24  24,1P(24 < X < ∞) = Ф(∞) – Ф()= P(24 < X < ∞) = Ф()= ;0,3 0, 772 0,1 11 – Ф() = 0,63; (с учетом Ф(∞) = 1 и Ф(0) = )0, 3 Вероятность безотцепочной работы вагона с 8(с учетом Ф(∞) = 1 и Ф(0) =) колесами2 Вероятность безотцепочной работы 1вагона с 8 колесами Р8 = ()8 = 0,004; 2Р8 = (0,63)8 = 0,024; Гребень 25 мм: m = 25 мм; σ = 0,77 мм;Гребень 25 мм: m = 25 мм; β = ∞; α = 24 мм;σ = 0,3 мм; β = ∞; α = 24 мм; 24  2524  25 P(24 < X < ∞) = Ф() = 0,9;P(24 < X < ∞) = Ф(∞) – Ф()=1 0, 770, 3 1– Ф(3,33) =1 – 0,0005 = 0,9995; при Ф(∞) = 1 и Ф( ) = 0,1; 0, 77 Вероятность безотцепочной работы Вероятность безотцепочной работы вагона с 8вагона с 8 колесами колесамиР8 = (0,9995)8 = 0,9996; Р8 = (0,9)8 = 0,43; Гребень 26 мм: m = 26 мм; σ = 0,77 мм; β = ∞; α = 24 мм; 24  25 P(24 < X < ∞) = Ф(∞) – Ф()= 0, 77 =0,9953; при Ф(∞) = 1 и Ф( ) = 0,0047; 0, 77 Вероятность безотцепочной работы вагона с 8 колесами: Р8 = (0,9953)8 = 0,995; В диссертационной работе производились расчеты по определению количества обточек за жизненный цикл колеса. Данные, полученные при расчете количества обточек колеса в зависимости от типа обточки представлены на рисунках 4 – 7. На рисунках синим цветом обозначен профиль нового колеса; красным – профиль изношенного колеса; зеленым – ремонтный профиль. а)б) Рисунок 4 – Вариант восстановления профиля поверхности катания 33-24-30 (а) и 33-25-30 (б) В случае варианта обточки, указанном на рисунке 4 (а) величина снимаемого металла при одной обточке составляет 13,8 мм. При начальной толщине обода не менее 75 мм можно сделать 3 обточки, при толщине обода менее 75 мм – 2 обточки. В случае варианта обточки, указанном на рисунке 4 (б), величина снимаемого металла при обточке составляет 11,5 мм. При начальной толщине обода не менее 75 мм можно сделать 4 обточки, при толщине обода менее 75 мм – 3 обточки. а)б) Рисунок 5 – Вариант восстановления профиля поверхности катания 33-26-30 (а) и 33-27-30 (б) В случае варианта обточки, указанном на рисунке 5 (а), величина снимаемого металла при одной обточке составляет 9 мм. При начальной толщине обода не менее 75 мм можно сделать 6 обточек, при толщине обода менее 75 мм – 5 обточек. В случае варианта обточки, указанном на рисунке 5 (б), величина снимаемого металла одной обточки составляет 7 мм. При начальной толщине обода не менее 75 мм можно сделать 7 обточек, при толщине обода менее 75 мм – 6 обточек. а)б) Рисунок 6 – Вариант восстановления профиля поверхности катания 33-24-33 (а) и 33-25-33 (б) В случае варианта обточки, указанном на рисунке 6 (а), величина снимаемого металла при одной обточке составляет 16,5 мм. При начальной толщине обода не менее 75 мм можно сделать 3 обточки, при толщине обода менее 75 мм – 2 обточки. В случае варианта обточки, указанном на рисунке 6 (б), величина снимаемого металла при обточке составляет 14,5 мм. При начальной толщине обода не менее 75 мм можно сделать 3 обточки, при толщине обода менее 75 мм – 2 обточки. По выбору варианта обточки обозначения производились следующим образом: первая цифра показывает начальную толщину гребня 33 мм; вторая цифра обозначает толщину гребня, при которой производится обточка; третья цифра обозначает толщину гребня после обточек. Например, обозначение 33-25- 30: колесо имеет первоначальный гребень 33 мм, далее обточки проводятся при достижении толщины гребня 25 мм и восстанавливаются на ремонтный профиль с толщиной гребня 30 мм. а)б) Рисунок 7 – Вариант восстановления профиля поверхности катания 33-26-33 (а) и 33-27-33 (б) В случае варианта обточки, указанном на рисунке 7 (а), величина снимаемого металла при одной обточке составляет 12 мм. При начальной толщине обода не менее 75 мм можно сделать 4 обточки, при толщине обода менее 75 мм – 3 обточки. В случае варианта обточки, указанном на рисунке 7 (б), величина снимаемого металла при обточке составляет 10,5 мм. При начальной толщине обода не менее 75 мм можно сделать 4 обточки, при толщине обода менее 75 мм – 3 обточки. Для определения ресурса колес расчеты проводились следующим образом, и каждая цифра имеет обозначение: например, здесь 4×5×19 – первая цифра обозначает количество обточек; вторая цифра обозначает износ гребня в соответствующем диапазоне; третья цифра обозначает пробег вагонов при каждом 1 мм износа гребня на тыс. км в соответствующем диапазоне. Приведенные расчеты представлены в таблице 4. На рисунке 8 представлена схема расчета ресурса колеса по разработанной методике. Рисунок 8 – Схема определения ресурса колеса грузовых вагонов Таблица 4 – Определение ресурса колеса и коэффициента обточки от варианта обточки колес по тонкому гребню Отношение при номин. толщ. Средний коэфф. Пробег между Кол-во обточек Ресурс колеса, снятого металла обточками, тыс. км Вариантпри обточке к обода Расчет ресурса колесатыс. км обточкиизносу гребня 1После-1После- обточкадующиеобточка дующие 33-24-2751×3,3×3+3×5×19+6×25445130631,452,331,89 33-25-2761×3×3,3+5×19+7×2×19371105381,392,281,83 33-24-3031×3×3,3+4×5×19+4×1×254901301201,532,301,97 33-25-3041×3×3,3+5×5×1947595901,442,302,00 33-26-3061×3×3,3+4×7×1954286761,292,251,96 33-27-3071×3×3,3+8×3×1946667571,172,332,04 33-24-3334×3×3,3+4×5×19+4×1×255201301301,831,83 33-25-3334×3×3,3+4×5×194401051051,611,61 33-26-3345×3×3,3+5×4×1943086861,331,33 33-27-3345×3×3,3+5×3×1933567671,171,17 С учетом новой допускаемой минимальной толщины гребня рекомендуется принять систему обточек 33-24-30 (коэффициент обточки 1,97) или 33-24-33 (коэффициент обточки 1,5). ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе выполнен комплекс исследований с целью определения потребности в колесах и вагонных осях и рациональных путей совершенствования технологий ремонта колесных пар грузовых вагонов, который позволил сформулировать следующее: 1. Анализ текущего состояния работы железнодорожного транспорта – основных количественных и качественных показателей парка грузовых вагонов Республики Узбекистан показал, что поступление вагонов во внеплановый ремонт по неисправностям колесных пар ежегодно возрастает, что делает актуальными исследования в области повышения ресурса колесных пар. 2. На основании полученных результатов выполненного исследования по оценке надежности колесных пар обычных и инновационных вагонов было установлено, что у колесных пар инновационных вагонов, изготовленных из стали повышенной твердости марки «Т», по сравнению с колесами обычных вагонов, изготовленных из стали марки «2», степень износа колес значительно ниже и, как следствие, они имеют повышенную эксплуатационную надежность. 3. На ресурс колес оказывают влияние не только материал колес и ходовых частей, но и устройство самого вагона и условия его эксплуатации. Ресурс колес одного типа в одинаковых тележках оказался существенно ниже у вагонов-хопперов модели 19–9870–01. 4. Разработанная научно – обоснованная методика расчета потребности в цельнокатаных колесах и осях позволяет оценить потребность железных дорог в них, отличающуюся учетом вероятности изменения толщины гребня, возникновения ползунов и выщербин, с целью минимизации рисков для всех участников процесса изготовления, эксплуатации и ремонта грузовых вагонов. 5. Разработанная и предложенная методика расчета потребного парка грузовых вагонов для железных дорог Узбекистана на перспективу до 2025 года дает возможность оценивать текущее состояние и потребный парк грузовых вагонов с учетом прогноза общего объема перевозок по железнодорожному транспорту. 6. Применение ремонтных профилей колес с толщиной гребня 27 мм не рационально, так как это приводит к снижению ресурса колеса по пробегу (в 1,5 раза) и повышает расходы на обточки колес в эксплуатации (добавляются расходы на 2 обточки при использовании толщины гребня 27 мм). 7. Установлено, что внесение изменений в нормативные документы в отношении требований толщины гребня 27 мм вместо 26 мм при выпуске вагонов из текущего ремонта (для вагонов с оставшимся ресурсом до планового ремонта по пробегу 60 тыс. км или сроку менее 9 мес.) позволит сократить количество отцепок в текущий ремонт ТР-2 по тонкому гребню. 8. Пополнение парка грузовых вагонов АО «УТЙ» новыми современными инновационными вагонами с увеличенной грузоподъемностью даёт возможность постепенно сокращать потребность в колесах в связи с большим ресурсом новых колес. 9. Для железных дорог Узбекистана рекомендуется принять минимальную толщину гребня 24 мм и ввести следующую систему обточек 33-24-30 (коэффициент обточки 1,97) или 33-24-33 (коэффициент обточки 1,83). 10. Изменение допускаемой толщины гребня до 24 мм является положительным эффектом и снижает количество отцепок во внеплановом ремонте. В связи с этим, данное предложение рекомендуется к использованию. 11. Толщину гребня 26 мм при подаче под погрузку целесообразно сохранить. Это обеспечит снижение расходов на текущий ремонт ТР-2 груженых вагонов за счет сокращения работ по отцепке вагонов из поездов.