Введение
Поиск путей повышения производительности труда, повышение эффективности и конкурентоспособности новой техники заставляет по-иному взглянуть на проблему проектирования современного тягового подвижного состава железных дорог.
Необходимо соединить в единую систему: проектирование локомотивов, разработку принципиально новых технологических процессов на заводах-изготовителях и ремонтно-сервисных предприятиях, создать средства технологического оснащения, организовать производственные процессы [1].
Одним из перспективных направлений считается создание современной техники на принципах модульности. Еще в годы второй мировой войны в Германии осуществлялось крупносерийное строительство подводных лодок из полностью идентичных корпусных блоков, изготовленных на разных предприятиях.
Сегодня термин «Модульность» активно применяется во многих отраслях промышленности и гуманитарной сфере. Элементы, группируемых в базовые узлы, составляющие законченную систему, называются МОДУЛЯМИ.
Суть модульного принципа проектирования машины - комплектование разнообразных сложных изделий с большим различием характеристик из небольшого экономически обоснованного количества типов и типоразмеров одинаковых первичных общих элементов - модулей.
Цель исследования
Идея метода модульного проектирования состоит в разделении всего оборудования на модули различного функционального назначения, которые после полной сборки и проверки соединяются в единое целое. Модули могут легко объединяться, образуя сложные комплексы, разъединяться и заменяться с целью получения систем с другими компонентами и характеристиками при ремонте или модернизации. При этом должна достигаться цель: упрощение разработки, тестирования и поддержание вновь создаваемых систем, сведение числа связей между различными частями системы к минимуму.
Принцип модульности напрямую связан с принципом унификации, стандартизации и типизации. [2].
Применительно к локомотивам железных дорог модульность конструирования должна облегчить не только процессы проектирования и строительства, но и процессы эксплуатации (сервисное техническое обслуживание и ремонт, замена узлов и модернизация). Основа принципов модульности - это перенесение максимального объема производственных и ремонтных операций из деповских в заводские условия. Такой принцип позволяет упростить задачу мониторинга функционирования различных модулей и микромодулей.
Поэтому на стадии проектирования необходимо закладывать возможность декомпозиции модулей, что приведёт к изменению всей философии проектирования с учётом прогнозов, рисков и модернизации производства.
Сервисное обслуживание локомотивов, построенных по принципам модульности, приобретает совершенно новые свойства, позволяющие полностью отказаться от традиционных основных и оборотных локомотивных депо в пользу Сервис-Модульных Точек (СМТ), занимающихся анализом результатов мониторинга локомотивов, съёмом и установкой модулей и микромодулей.
Необходимо понять, что при использовании нового принципа обслуживания локомотивов невозможно отделить инфраструктуру нового типа локомотивного хозяйства от эксплуатации и перевозок. Например, на территории филиала ОАО РЖД «Московская железная дорога» возможно создание Сервис-Модульных Центров (СМЦ) в трёх местах: Рязань, Орел, Вязьма (на карте обозначены D), охватывающих всю территорию обслуживания МЖД. При этом СМТ (ТЧР) замещают существующие локомотивные депо (на карте обозначены O), см. табл. При необходимости пограничные СМЦ МЖД могут обслуживать СМТ (ТЧР) других дорог, и наоборот, обеспечивая необходимую гибкость и оперативность в обслуживании.
При переходе на новую систему обслуживания модульных локомотивов основная нагрузка по бесперебойному обеспечению СМТ (ТЧР) необходимыми модулями ложится на СМЦ. И здесь решающую роль должна сыграть техническая и технологическая база этих Центров.
В СМЦ ответственность за качество своих поставок будет выше, так как любой брак будет наказываться на всем протяжении цикла функционирования модуля. В случае отказа изделия (микромодуля) на СМЦ налагается штраф, а локомотив заходит на межпоездное обслуживание, где за счёт Центра оперативно заменяется модуль (микромодуль).
Рис. Схема Московской железной дороги
Таблица
|
Сервис-модульные точки Московской ж.д. |
|||
|
Обозначение |
Название |
Обозначение |
Название |
|
СМТ (ТЧР)-15 |
Лихоборы |
СМТ (ТЧР)-37 |
Рыбное |
|
СМТ (ТЧР)-16 |
Москва-Сортировочная |
СМТ (ТЧР)-40 |
Вязьма |
|
СМТ (ТЧР)-28 |
Орёл |
СМТ (ТЧР)-47 |
Брянск-Льговский |
|
СМТ (ТЧР)-30 |
Курск |
СМТ (ТЧР)-48 |
Смоленск |
|
СМТ (ТЧР)-34 |
Ожерелье |
СМТ (ТЧР)-49 |
Унеча |
|
СМТ (ТЧР)-35 |
Узловая |
|
|
Новая философия обслуживания локомотивов заключается в изменении схем обслуживания и поставки продукции (модулей) заводами-изготовителями. Сегодня завод-поставщик отвечает за свою поставку только в пределах гарантийного срока и только за единицы оборудования (насос, фильтр, теплообменник, контактор, реле и т.д.).
Не следует забывать, что при назначенном сроке службы локомотива в 25-30 лет (реально 40-50 лет) элементы модулей (микромодули) морально устаревают гораздо быстрее. Например, гарантия на электроаппараты (реле времени ВЛ-50, ВЛ-51А, ВЛ-52 [3]) составляет всего 1-3 года.
Именно поэтому для Центров может быть выгоднее закупать функциональные элементы с гарантийным техническим обслуживанием на весь жизненный цикл модулей? Во многих отраслях с длительным жизненным циклом, например в авиации, произошло изменение в философии поставки и завод отвечает за весь жизненный цикл своей продукции [4].
Модуль локомотива включает в себя корпус-каркас, внутри которого расположены микромодули, выполняющие необходимые функции. В корпус-каркас встраиваются элементы перемещения и надёжного крепления к базовым конструкциям. Компоновка модулей на локомотиве должна позволять их лёгкую замену извне без демонтажа соседних модулей и по возможности при минимальных затратах времени и энергии.
Необходимым фактором при проектировании СМТ является нетрудоемкий, полностью механизированный монтаж-демонтаж модулей на локомотивы.
На локомотивах целесообразно использование так называемых функциональных модулей - сборочных единиц адресного применения, основу которых составляет известное оборудование (механическое, тепло- и электротехническое, электронное и др.), смонтированное в корпусе-каркасе, прошедшее соответствующую проверку и готовое к выполнению своих функций после установки модуля на локомотив.
Применение функциональных модулей обусловлено не столько требованием совершенствования технологии локомотивостроения, сколько эксплуатационными соображениями. С их помощью, возможно, удастся разрешить противоречие развития локомотивостроения - противоречие между уменьшающимся временем эффективной службы локомотива из-за форсированного морального старения техники (особенно микропроцессорной) в обстановке ускорения научно-технического прогресса и возможностями увеличения срока службы, вследствие повышения надежности и ресурса агрегатов. Созданное и смонтированное в виде функциональных модулей оборудование сможет легко заменяться в процессе эксплуатации локомотивов на новые, более совершенные образцы, обеспечивая тем самым поддержание на должном уровне эффективность локомотива, как сложной системы.
А как скажется внедрение функциональных модулей на облике локомотивостроительного производства? Во-первых, часть сборочно-монтажных работ непосредственно, выполняемых сегодня на локомотивах, будет передана заводам - изготовителям оборудования, где, благодаря значительно большей повторяемости и унификации работ, удастся существенно повысить их технический уровень, перейти на механизированную и автоматизированную сборку модулей. Во-вторых, процесс установки функциональных модулей на локомотив будет неоднократно повторяться в течение всего срока эксплуатации, что обусловит целесообразность интеграции локомотивостроительного (в части монтажа элементов модулей в ядре) и локомотиворемонтного производства. При этом появляется и развивается сопутствующее направление – робототехнические средства для транспортировки, замены и обслуживания модулей.
В будущем произойдет специализация заводов-изготовителей и сервисных центров создания, обслуживания и ремонта модулей локомотивов. Один центр будет обслуживать модули основного электрооборудования (высоковольтные камеры ВВК и микропроцессорные блоки МБ), другие - модули основного и вспомогательного оборудования энергетической установки (дизель-генераторные установки ДГУ, турбокомпрессоры ТК, модули обеспечения работы ДГУ и т.д.). Отдельные центры обслуживают унифицированные модули ходовой части (2-, 3-осные тележки).
Примерная последовательность работ при применении философии модульного проектирования [5, 6]:
• выделить системы локомотива, для которых возможно применение модульного монтажа;
• включить в состав модулей оборудования дополнительные стандартные металлические каркасы и постаменты, обеспечивающие крепление оборудования, монтажную и эксплуатационную жесткость, включить в состав модулей дополнительные демпфирующие устройства и др.
• системы скомпоновать в модули соответствующих размеров:
a) для вписывания внутрь машинного отделения локомотива;
b) помещаемых в стандартные контейнеры (40, 45 футов);
• несущие конструкции модулей должны позволить осуществлять монтаж-демонтаж параллельно несколькими манипуляторами;
• проработать с изготовителями оборудования модулей соответствующие требования по исполнению, стандартизации интерфейсов, особенности сервиса и ремонта на стадии эксплуатации проектирования;
• проработать совмещение и координацию гидро-, пневмо-, и электромонтажных работ на модульном локомотиве (смоделировать процессы монтажа мультиразъемных панелей и вариантов блокировки на единой панели);
• выполнить разводку и монтаж мультисоединительных панелей в ядре для подключения разных источников энергопитания, гидро- и пневмоцепей. При этом необходимо предусмотреть блокировки и защиту от возникновения ошибки при подключении, не допустить снижения пропускной способности и герметичности соединений.
Модули формируют посредством серии сборочных операций оборудования, изготовленного на различных специализированных предприятиях, что позволяет обеспечить более высокие технико-экономические показатели и снижение затрат трудовых ресурсов. Именно при модульном принципе компоновки оборудования на первый план выступает унификация, как научно-обоснованное сокращение числа общих элементов (например, трубопроводов). Унификация обеспечивает приведение к единообразию и сокращению числа элементов и, как следствие, единообразию конструктивных элементов базового заводского изготовления.
При этом габариты модулей соответствуют размерам стандартных контейнеров или размерам, кратным стандартному контейнеру. Модули поставляются с СМЦ на СМТ в контейнерах с необходимыми результатами тестовых испытаний и гарантийными обязательствами.
Достоинства и возможные
проблемные направления исследования
Следует иметь ввиду, что модульный локомотив является типичным примером современного подхода в стандартизации. А любая стандартизация дает не только определенные преимущества, но всегда имеет недостатки. Легко можно просчитать, что модульный локомотив в большинстве случаев по некоторым технико-экономическим характеристикам будет уступать локомотиву адресного, «индивидуального» проекта. Модульный локомотив будет иметь явные преимущества только при решении комплекса задач серийности, количества выпускаемых машин и быстрого развития сервисной инфраструктуры. Что касается стоимости постройки локомотивов, то соотношение стоимости стандартного и модульного локомотивов будет зависеть от взаимного действия двух факторов: выигрыша от увеличения серийности изготовления модульного локомотива и проигрыша от инерционности и замедления внедрения новых технологий. Количественная оценка суммарного действия обоих факторов является весьма сложной задачей, требующей разработки методик оценки проигрыша от функциональной избыточности характеристик локомотивов, собранных из стандартных модулей. Априорно можно утверждать, что этот проигрыш будет тем больше, чем более высокие и жесткие требования предъявляются к локомотиву в целом. Выигрыш же будет возрастать с увеличением числа типов тягового подвижного состава, при постройке которых используются модульные технологии (пассажирские, грузовые, универсальные, маневровые, промышленные).
Расчёты, выполненные специалистами водного транспорта, показали, что трудоемкость серийной постройки барж различной грузоподъемности в случае использования секций-модулей должна была снизиться в 2,2- 2,5 раза. Резко сокращался производственный цикл, пропускная способность верфей возрастала в 2 раза и более [2].
В нашем случае увеличение материалоёмкости модульного локомотива за счёт применения дополнительных корпус-каркасных конструкций не является лимитирующим, так как для решения поставленных задач. увеличение сцепной массы допускается в пределах принятых ограничений по нагрузке на ось.
Корпус-каркас в локомотиве с главным управляющим блоком – это своеобразный менеджер всех модульных частей общей системы. Он непрерывно выполняет роль супервизора, контролирует общение между модулями для решения общей задачи. Выполняет:
• контроль функционирования каждого из модулей и выдачу ими необходимых технических параметров на выходе;
• сбор информации в интерфейсы модулей;
• передачу информации между модулями;
• защитные функции в случае отклонениях в алгоритмах системы;
• блокирование и останов системы в случае возникновения аварийных ситуаций.
В корпусе-каркасе штатно размещено стационарное оборудование, трубопроводы, кабельные проводки, ответные части мультисоединительных плат и т.д. Это и есть базовая основа локомотива, используемая лишь на локомотивах одной серии и большей частью не обладающая «функциональной» автономностью.
Безусловно, модульный принцип компоновки оборудования станет возможным только в том случае, если проектировщики нового оборудования будут соблюдать преемственность технических решений, обеспечивать сохранение массогабаритных характеристик агрегатов и арматуры, их базовых и присоединительных размеров, унифицированных частей быстроразъёмных соединений (БРС) трубопроводов (БРСт), электрических кабелей (БРСэ) и иных коммуникаций.
Для этого необходима глобальная система типизации функциональных модулей, которая координировала бы действия заводов-изготовителей локомотивов и разработчиков комплектующих для модулей, определяла типы агрегатов и систем, для которых целесообразна разработка функциональных модулей, предусматривала разработку технических условий на проектирование таких модулей, согласовывала действия всех сторон, участвующих в проектировании и постройке локомотивов.
Выводы
Модульный принцип проектирования локомотивов позволяет резко ускорить разработку и выпуск новых модификаций на базе существующих конструкций. При этом:
- снижаются затраты и растет производительность локомотива в эксплуатации за счёт оперативной экипировки;
- снижается влияние человеческого фактора при монтаже и проверке модулей в составе локомотива;
- внедрение новых концепций манипуляторов для выполнения основных операций съёма и установки модулей, обеспечивает возможность использования безлюдных технологий;
- создаются универсальные конструкторско-технологические решения модулей для различных типов локомотивов;
- сокращается общее количество обслуживающего персонала на пунктах экипировки.
Модульность - лекарство от многих болезней современного локомотивного хозяйства.