KACZOR Grzegorz 1 SZACHNIEWICZ Bartosz 2 Ocena niezawodności lokomotyw serii EU07/EP07 oraz EP09 eksploatowanych na polskich liniach kolejowych WSTĘP Zauważalny wzrost znaczenia niezawodności współczesnych obiektów technicznych a w szczególności pojazdów mechanicznych generuje potrzeby opracowywania nowoczesnych metod oceny niezawodności tych obiektów w rzeczywistych warunkach ich eksploatacji. Dotyczy to również infrastruktury transportu [5]. Niezawodność ta może być kształtowana na etapie: projektowania obiektu (uwzględniane są określone wymagania co do jego niezawodności, tzw. synteza niezawodności), wytwarzania, eksploatacji technicznej (analiza niezawodności obiektu, eksploatowanego w warunkach rzeczywistych). Z praktycznego punktu widzenia, pojęcie niezawodności kojarzone najczęściej z cechą obiektu mówiącą o stopniu spełniania przez niego wszystkich swoich funkcji użytkowych, ma wpływ na wiele czynników kształtujących proces eksploatacji technicznej takich jak chociażby: koszty eksploatacji czy też polityka utrzymania. Analizy niezawodności dokonuje się najczęściej na podstawie danych, pochodzących z eksploatacji nadzorowanej. Istotnym elementem tej analizy jest potrzeba uwzględnienia stopnia niepewności wyników, podyktowana losowym charakterem zjawisk oddziaływujących na obiekty. Wynika stąd, że oddziaływanie zjawisk losowych nie może być opisane metodami deterministycznymi, lecz probabilistycznymi. Ponadto, zbiór informacji o poprawnej pracy obiektu jest w wielu przypadkach na tyle obszerny, że trudno obejść się bez specjalistycznych narzędzi komputerowych. Niniejsza praca jest przykładem zastosowania pakietu oprogramowania firmy Reliasoft do oceny niezawodności lokomotyw serii EP07/EU07 oraz EP09. 1 LOKOMOTYWY SERII EU07/EP07 Lokomotywy elektryczne serii EU07/EP07 są krajowymi odpowiednikami pojazdów typu EU06, które zakupiono w Anglii w latach 1962 1963. Dostawcą pierwowzoru był zespół producentów, zgrupowany w tzw. ContractorsCommittee. Lokomotywy serii EU07/EP07 (w wersji 4E) produkowała od 1965 roku Państwowa Fabryka Wagonów PAFAWAG we Wrocławiu (obecnie Bombardier Transportation Polska), na podstawie dokumentacji licencyjnej, adoptowanej przez Centralne Biuro Konstrukcyjne Przemysłu Taboru Kolejowego w Poznaniu. Produkcja ta była oparta o szeroką współpracę różnych przedsiębiorstw krajowych. Najważniejszymi kooperantami PAFAWAG w zakresie produkcji lokomotyw EU07/EP07 byli: Dolnośląskie Zakłady Wytwórcze Maszyn Elektrycznych DOLMEL we Wrocławiu, Fabryka Transformatorów i Aparatury Trakcyjnej ELTA w Łodzi, Zakłady APENA w Bielsku Białej, Zakłady FABLOK w Chrzanowie. Lokomotywy EU07/EP07 są zasadniczo jednakowe z pojazdami serii EU06, nie mniej jednak część rozwiązań konstrukcyjnych różni w szczegółach obie wersje pojazdów. Wynika to z faktu, że 1 Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki w Krakowie, Wydział Mechaniczny; 31-864 Kraków; al. Jana Pawła II 37. Tel. + 48 374 33 14, Fax: + 48 374 33 11, g. kaczor@m8.mech.pk.edu.pl 2 Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki w Krakowie, Wydział Mechaniczny; 31-864 Kraków; al. Jana Pawła II 37. Tel. + 48 374 34 46, Fax: + 48 374 34 11, b.szachniewicz@m8.mech.pk.edu.pl 5059
nie wszystkie urządzenia lokomotywy szczególnie w odniesieniu do części elektrycznej zostały objęte umową licencyjną. Tam, gdzie było to możliwe, konstruktorzy lokomotywy EU07 wykorzystali urządzenia opracowane w kraju, stosowane często w innych seriach pojazdów trakcyjnych. W niektórych również przypadkach krajowe opracowanie aparatu lub urządzenia, które zasadniczo wzorowano na urządzeniu angielskim, różni się nieco od niego. Wynika to z wielu przyczyn natury konstrukcyjnej, technologicznej i materiałowej. Lokomotywy EU07/EP07 to pojazdy uniwersalne, przygotowane do pełnienia zadań trakcyjnych, zarówno w ruchu pasażerskim, jak i towarowym. Różnica pomiędzy lokomotywami serii EU i EP wynika przede wszystkim z zastosowania przekładni głównej o innym stopniu przełożeniu. Pojazdy te są przystosowane do pracy w trakcji. Podstawowe parametry techniczne lokomotyw serii EU07/EP07 przedstawiono w tabeli 1. Tab. 1. Podstawowe parametry techniczne lokomotyw serii EU07/EP07 Lp. Parametr Wartość 1 układ osi B 0 B 0 2 szerokość toru 1435 [mm] 3 napięcie zasilania 3000 [V] 4 moc ciągła 2000 [kw] 5 prędkość maksymalna 125 [km/h] 6 masa lokomotywy 80 [t] 2 LOKOMOTYWY SERII EP09 Projekt lokomotywy elektrycznej typu EP09 powstał w dawnym Ośrodku Badawczo Rozwojowy Pojazdów Szynowych w Poznaniu pod koniec lat 70. Mimo gotowej dokumentacji konstrukcyjnej prototyp pojazdu ww. serii wykonano dopiero w 1986 roku, podwyższając jednocześnie na żądanie Polskich Kolei Państwowych prędkość maksymalną ze 140 km/h do 160 km/h. Projekt lokomotywy serii EP09 zakładał zastosowanie wielu nowatorskich rozwiązań, w tym przede wszystkim nowoczesnego, jak na ówczesne czasu, rozruchu tyrystorowego. Ostatecznie sytuacja polityczna i ekonomiczna zmusiły konstruktorów do rezygnacji z wielu planowanych rozwiązań (miejsce nowatorskiego rozruchu tyrystorowego, zajął dobrze już znany, lecz przestarzały, rozruch rezystorowy). Mimo ograniczeń, które dotknęły projekt lokomotywy EP09, udało się wprowadzić następujące rozwiązania: hamulec elektrodynamiczny, układ prędkości zdalnej, oparcie pudła za pośrednictwem wieszaków, zestawy kołowe z ułożyskowanym kołem zębatym, skośne cięgła przenoszące siłę pociągową, ergonomiczne pulpity, oparcie pudła na sprężynach Flexicoil (11 egzemplarzy z serii). Lokomotywę serii EP09 budowano w latach 1986 1997 w ilości 47 sztuk (obecnie w eksploatacji pozostaje 46 sztuk). Pojazd jest konstrukcją normalnotorową o układzie osi B0`B0`. Został przystosowany do prowadzenia ciężkich pociągów pasażerskich. Podstawowe parametry techniczne tego pojazdu przedstawiono w tabeli 2. Tab. 2. Podstawowe parametry techniczne lokomotyw serii EP09 Lp. Parametr Wartość 1 układ osi B 0 B 0 2 szerokość toru 1435 [mm] 3 napięcie zasilania 3000 [V] 4 moc ciągła 2920 [kw] 5 prędkość maksymalna 160 [km/h] 6 masa lokomotywy 83,5 [t] 3 METODYKA BADAŃ Ocenę niezawodności przeprowadzono na podstawie danych eksploatacyjnych lokomotyw EP07 oraz EP09, dotyczących niezdatności ich wybranych elementów w układach: elektrycznym, mechanicznym oraz pneumatycznym. Dane te zawierają informacje o wartości przebiegu lokomotywy 5060
w km (licząc od chwili wykonania ostatniej naprawy rewizyjnej), po którym nastąpiła niezdatność danego elementu. Z uwagi na obszerność zbioru tych danych, w tabeli 3 oraz tabeli 4 przedstawiono jedynie procentowy udział niezdatności elementów w odniesieniu do odpowiednich układów badanych lokomotyw. Tab. 3. Dane eksploatacyjne lokomotyw serii EP07/EU07 Lp. Seria lokomotyw Rodzaj układu Element Udział niezdatności elementu w układzie [%] 1 EP07 elektryczny stycznik WN 23 2 EP07 elektryczny silnik trakcyjny 16 3 EP07 elektryczny szybkościomierz 10 4 EP07 elektryczny przetwornica 8 5 EP07 elektryczny elem. ogrzewania poc. 8 6 EP07 elektryczny elem. radiokomunikacji 5 7 EP07 elektryczny pozostałe (styczniki, przekaźniki) 30 8 EP07 mechaniczny zestaw kołowy 29 9 EP07 mechaniczny cięgła, łączniki 24 10 EP07 mechaniczny pozostałe 35 11 EP07 pneumatyczny sprężarka 22 12 EP07 pneumatyczny zawór maszynisty 17 13 EP07 pneumatyczny pozostałe 61 Tab. 4. Dane eksploatacyjne lokomotyw serii EP09 Lp. Seria lokomotyw Rodzaj układu Element Udział niezdatności elementu w układzie [%] 1 EP09 elektryczny przetwornica 32 2 EP09 elektryczny PHJ 10 3 EP09 elektryczny szybkościomierz 7 4 EP09 elektryczny stycznik WN 5 5 EP09 elektryczny pozostałe 46 6 EP09 pneumatyczny sprężarka 60 7 EP09 pneumatyczny pozostałe 40 Dla lokomotyw obu serii dobrano odpowiednie matematyczne modele niezawodności. Podstawą do opracowania tych modeli była metoda regresji liniowej empirycznej funkcji dystrybuanty na siatce logarytmicznej, względem osi odciętych. Empiryczne wartości dystrybuanty wyznaczono metodą aproksymacji Benarda [3]: gdzie: i- kolejny nr uporządkowanych rosnąco wyników badania N- ilość wyników badania Pod uwagę wzięto 11 modeli matematycznych. W aplikacji Weibull++ przeprowadzono ranking dopasowania poszczególnych rozkładów prawdopodobieństwa do danych empirycznych. Wyniki tego rankingu przedstawiono w tabeli 5.: Tab. 5. Test dopasowania wybranych rozkładów prawdopodobieństwa do danych eksploatacyjnych lokomotyw serii EP07/EU07 oraz EP09 Rozkład prawdopodobieństwa Pozycja w rankingu dla lokomotyw Pozycja w rankingu dla lokomotywy serii EP09 EU07/EP07 Wykładniczy 1-P 10 11 Wykładniczy 2-P 8 10 Normalny 4 3 (1) 5061
Log-normalny 7 9 Weibull 2-P 3 6 Weibull 3-P 2 1 Gamma 6 8 Uogólniony Gamma 1 4 Logistyczny 5 5 Log-logistyczny 7 7 Gumbel 9 2 Jako, że rozkład Weibull 3-P wykazał wysoką dokładność dopasowania do danych empirycznych zarówno dla lokomotyw serii EP07 jak i serii EP09, zdecydowano się na jego wybór do analizy niezawodności obu serii pojazdów. Ogólna postać funkcji niezawodności trójparametrycznego rozkładu Weibulla jest następująca [4]: gdzie: β- parametr kształtu η- parametr skali γ- parametr położenia Po przyjęciu rozkładu prawdopodobieństwa oraz wyznaczeniu jego parametrów dla obu serii lokomotyw, dokonano oceny ich niezawodności. 4 WYNIKI BADANIA I ICH ANALIZA Poniżej przedstawiono przebiegi podstawowych wskaźników funkcyjnych niezawodności z obustronnymi przedziałami ufności na poziomie 0,95 w odniesieniu do przebiegu lokomotyw serii EU07/EP07 i EP09. Na podstawie zależności (3) i przyjętych modeli matematycznych określono również rzeczywistą trwałość układu mechanicznego, elektrycznego i pneumatycznego pojazdów [2]. gdzie; f(t) funkcja gęstości uszkodzeń (2) (3) 5062
Rys. 4.1.Przebiegi funkcji niezawodności lokomotyw serii EP07/EU07 oraz EP09 z obustronnymi przedziałami ufności na poziomie 0,95 w odniesieniu do przebiegu pojazdów. Rys. 4.2. Przebiegi funkcji intensywności uszkodzeń lokomotyw serii EP07/EU07 oraz EP09 z obustronnymi przedziałami ufności na poziomie 0,95 w odniesieniu do przebiegu pojazdów. 5063
Rys. 4.3. Przebiegi funkcji gęstości prawdopodobieństwa lokomotyw serii EP07/EU07 oraz EP09. Poniżej, w tabeli 6 przedstawiono wyznaczone, rzeczywiste wartości trwałości układów:, elektrycznego, pneumatycznego oraz mechanicznego lokomotyw. Tab. 6. Rzeczywiste wartości trwałości układów lokomotyw serii EP07/EU07 oraz EP09 Lokomotywa serii EU07/EP07 Lokomotywa serii EP09 Rodzaj układu Trwałość [km] Rodzaj układu Trwałość [km] elektryczny 315865 elektryczny 153230 pneumatyczny 269524 pneumatyczny 183560 mechaniczny 361845 WNIOSKI Z przeprowadzonej analizy danych eksploatacyjnych wynika, że rozkład Weibull 3-P okazał się właściwym modelem matematycznym do oceny niezawodności branych pod uwagę pojazdów szynowych. Jest to w pełni zgodne z przeznaczeniem jego stosowania, gdyż wiele elementów tych pojazdów wykazuje podatność na zużycie zmęczeniowe, a ich niezawodność w trakcie eksploatacji wykazuje znaczne zmiany [1]. Na podstawie otrzymanych wyników analizy można stwierdzić, że lokomotywy serii EU07/EP07 charakteryzują się znacznie większą niezawodnością w porównaniu do lokomotyw serii EP09. Pomimo tego, że dla układu mechanicznego EP09 nie odnotowano żadnych przypadków wystąpienia niezdatności między poszczególnymi naprawami rewizyjnymi to i tak jej ogólna zdolność do realizacji pracy przewozowej prezentuje znacznie niższy poziom. Z przyjętego rozkładu Weibulla wynika, że intensywność uszkodzeń lokomotywy serii EP09 po upływie okresu eksploatacji 1000000 km zaczyna wzrastać gwałtownie, natomiast dla pojazdu serii EU07/EP07 zmienia się nieznacznie. Potwierdzeniem tezy o znacznej różnicy w niezawodności obu lokomotyw są również charakterystyki gęstości prawdopodobieństwa, z której wynika że wartość dominanty dla pojazdu serii EP09 odpowiada znacznie mniejszej wartości przebiegu (ok. 80000 km), w porównaniu do serii EU07/EP07 (ok. 320000 km). Rzeczywiste wartości trwałości układów: elektrycznego i pneumatycznego również przemawiają na korzyść EU07/EP07 (wartości trwałości są większe o odpowiednio: 48% i 68%). 5064
Streszczenie W niniejszej pracy dokonano oceny niezawodności lokomotyw serii EU07/EP07 oraz EP09 na podstawie danych eksploatacyjnych, otrzymanych w warunkach rzeczywistych. Pod uwagę wzięto układy: mechaniczny, elektryczny i pneumatyczny pojazdów obu serii. Opracowano ranking dokładności dopasowania danych eksploatacyjnych do wybranych rozkładów prawdopodobieństwa, a następnie wybrano model o najdokładniejszej aproksymacji, którym okazał się być rozkład Weibulla. Do przeprowadzenia analizy danych wykorzystano specjalistyczny pakiet oprogramowania firmy Reliasoft, ułatwiający prowadzenie analiz niezawodności, gotowości technicznej, utrzymania oraz bezpieczeństwa eksploatacji, szczególnie w przypadku znacznej ilości danych.określono rzeczywistą trwałość wspomnianych układów lokomotyw. Przedstawiono przebiegi wybranych wskaźników funkcyjnych niezawodności lokomotyw z uwzględnieniem przedziałów ufności. Otrzymane dla obu serii lokomotyw porównano i sformułowano stosowne wnioski. Reliability assessment of locomotives class EU07/EP07 and EP09 operated on the polish railways Abstract The presented paper includes reliability assessmentof the following classes of locomotives: EU07/EP07 and EP09, operated on the polish railways. The conducted analysis was based on the empirical data, obtained during normal operation of the locomotives. The vehicles include such systems as: mechanical, electrical and pneumatic. Distribution fitness test was carried out and the Weibull distribution was selected. The analysis was conducted with the use of Reliasoft s software package, which facilitates analyzes of reliability, availability, maintainability and operational safety, especially for large amounts of data. The real durability of the systems was determined as well as the chosen distribution functionswith confidence levels. Obtained results for both series of locomotives were compared and appropriate conclusions were made. BIBLIOGRAFIA 1. Johnson, Leonard G., The Statistical Treatment of Fatigue Experiment. Elselvier Publishing Company. New York 1977. 2. Manzini R., Regattieri A., Pham H., Ferrari E., Maintenance for Industrial Systems. Springer, 2010. 3. Life Data Analysis Reference. Weibull++ 7. ReliasoftCorporation. Tucson AZ USA 1999-2007. 4. System Analysis Reference. Reliability, Availability & Optimization. BlockSim 7. ReliasoftCorporation. Tucson AZ USA 1999-2007. 5. Szkoda M., Assessment of reliability, availability and maintainability of rail gauge change systems. Eksploatacja i Niezawodnosc Maintenance and Reliability 2014; 16 (3). Prezentowane wyniki badań zostały zrealizowane w ramach projektu EUREKA E!6726 LOADFIX dofinansowanego ze środków Narodowego Centrum Badań I Rozwoju 5065