Дніпропетровський національний університет

залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна

КУРГАН МИКОЛА БОРИСОВИЧ

УДК 625.113: 656.221.1

НАУКОВІ ОСНОВИ ПЕРЕБУДОВИ ІСНУЮЧИХ ЗАЛІЗНИЦЬ УКРАЇНИ

ДЛЯ ВПРОВАДЖЕННЯ ШВИДКІСНОГО РУХУ ПОЇЗДІВ

Спеціальність 05.22.06 – залізнична колія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрах “Колія і колійне господарство” та “Проектування, будівництво доріг і геодезія” Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту України.

Науковий консультант – доктор технічних наук, професор ДАНІЛЕНКО Едуард Іванович, Київський університет економіки і технологій транспорту, завідувач кафедри “Реконструкція і експлуатація залізниць і споруд”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор ПЕВЗНЕР Віктор Ошерович, Всеросійський науково-дослідний інститут залізничного транспорту “ОАО Российские железные

дороги”, завідувач лабораторії нормативів улаштування рейкової колії і оптимізації швидкостей руху поїздів;

член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор УШКАЛОВ Віктор Федорович, Інститут технічної механіки НАН і НКА України, завідувач відділу статистичної динаміки механічних систем;

доктор технічних наук СОКОЛ Едуард Миколайович, Львівський науково-дослідний інститут судових експертиз, провідний співробітник.

Провідна установа – Українська державна академія залізничного транспорту, Міністерство транспорту України, м. Харків

Захист відбудеться “08” квітня 2004 р. о 14-10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.820.01 у Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту України за адресою: 49010, м. Дніпропетровськ, вул. Акад. Лазаряна, 2, зал засідань, к. 314.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту України.

Автореферат розісланий “02” березня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Костін М. О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Радикальним засобом, що забезпечує стійкі позиції на міжнародному ринку транспортних послуг, є створення в Україні швидкісних залізниць з виходом на європейську мережу і країни СНД. Залізнична мережа України органічно вписується в європейську через Польщу, Словаччину, Угорщину, Румунію, Молдову, Болгарію (поромна переправа). За попередніми оцінками, потенційні можливості щодо залучення додаткових міжнародних транспортних потоків досить великі. Обсяг таких перевезень уже найближчим часом може бути збільшений на 25-30Однак вигідне, з погляду транспортних перевезень, геополітичне розташування України зараз не використовується повною мірою.

Вимоги до залізничної інфраструктури міжнародних транспортних коридорів, запропоновані Європейським співтовариством, досить жорсткі. Основною з них є параметр швидкості руху поїздів – не менше 160 км/год.

Незважаючи на істотне зниження обсягів перевезень за останні роки, умови роботи залізниць України у порівнянні з закордонними залишаються більш важкими. Це, насамперед, зумовлюється інтенсивністю перевезень вантажів і пасажирів, величиною статичних навантажень на осі рухомого складу, середньою вагою вантажних поїздів. Вантажонапруженість магістральних залізниць України в 3,5 разу перевищує середньоєвропейський рівень і становить 8 млн. ткм/км на рік.

З огляду на те, що залізниці є основною транспортною ланкою, яка з'єднує Україну з Росією, країнами Кавказу, Західної і Центральної Європи, міжнародна транспортна мережа України й діюча система перевезень вимагають принципових змін з метою забезпечення високої швидкості руху поїздів, скорочення часу доставки вантажів і пасажирів. Все це викликає нагальну потребу в розробці наукових основ перебудови існуючих залізниць для впровадження швидкісного руху поїздів з встановленням нормативної бази реконструкції плану й профілю і визначенням отимальної стратегії розподілення інвестицій для досягнення максимального ефекту.

На основі системного підходу в дисертації вирішується комплекс взаємозалежних задач, що входять до однієї проблеми і представляють наукову основу перебудови існуючих залізниць для впровадження швидкісного руху поїздів на головних напрямках міжнародних транспортних коридорів України.

Зв’язок роботи дисертанта з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до “Програми створення та функціонування національної мережі міжнародних транспортних коридорів в Україні” (Постанова Кабінета Міністрів України від 20.03.98 № ) та перспективної програми “Організація швидкісного руху на головних магістралях України зі швидкістю до 200 км/год”, затвердженої Міністерством транспорту України.

Рішенням V Комісії Організації співробітництва залізниць (ОСЗ) від 7.08.95 р. Укрзалізниця була визначена ведучим виконавцем при розробці технічних нормативів для колій існуючих залізниць, які входять до міжнародних транспортних коридорів. З цього періоду проводяться цілеспрямовані наукові дослідження, у яких особисту участь брав автор дисертаційної роботи. Результати досліджень увійшли в Матеріали нарад експертів V Комісії ОСЗ із технічних питань у вигляді технічних нормативів з улаштування й утримання залізничної колії для швидкостей 160-250 км/год.

Обраний напрямок досліджень зв’язаний також з виконанням науково-дослідних робіт у Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна згідно до щорічних координаційних планів НДДКР Укрзалізниці: “Розробка технічних вимог і норм утримання залізничної колії і колійних конструкцій в зв’язку з впровадженням швидкостей руху до 160-200 км/год на існуючих лініях України, які входять до міжнародної магістралі Європа-Азія” (затв. наук.-техн. радою Мінтрансу від 21.02.96, № ДР U000823), “Розробка заходів щодо підвищення швидкості руху пасажирських поїздів до 140 км/год на ділянках Зернове–Хутір-Михайлівський–Київ і Жмеринка–Вапнярка Південно-Західної залізниці” (договір № ПЗ/П-011775/НЮ від 10.10.01, № ДР U005874), “Розробка стратегії підвищення швидкості руху поїздів на транспортних коридорах у межах Львівської залізниці” (договір № ЮР-НЗ-01, № ДР U005868), “Розробка стратегії підвищення швидкості руху поїздів до 160-200 км/год на дільниці Київ-Зернове міжнародного транспортного коридору з оптимальним використанням капіталовкладень” (договір № /03-3/03-ЦТех, закінчення в 2004 р.).

Основні результати роботи отримано під час досліджень, де дисертант виступав у якості наукового керівника чи відповідального виконавця і є автором звітів наведених науково-дослідних робіт.

Тема дисертації відповідає галузевій програмі модернізації колійного господарства залізниць України й узгодженій Програмі робіт ОСЗ щодо організації швидкісного руху по міжнародних транспортних коридорах.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка методів та теоретичних основ впровадження швидкісного руху поїздів на основних напрямках міжнародних транспортних коридорів, які проходять територією України, за рахунок оптимізації стратегії перебудови існуючих ділянок залізниць на основі системного підходу.

Системний підхід передбачає розв’язання таких завдань:

1. Дослідження передумов щодо можливості впровадження швидкісного руху на залізницях України (160 км/год і більше).

2. Урахування досвіду інших країн на основі аналізу проектів закордонних швидкісних магістралей.

3. Визначення об’єктів дослідження – ділянок транспортних коридорів як елементів системи з урахуванням взаємозв’язків між ними.

4. Доповнення й коригування технічних вимог і норм до проектування реконструкції плану і поздовжнього профілю існуючих магістралей при впровадженні швидкісного руху з урахуванням особливостей роботи українських залізниць.

5. Розробка методу перебудови складних ділянок плану лінії з визначенням допустимої швидкості руху поїздів. Урахування реально існуючих коливань обсягів робіт і вартісних ставок.

6. Удосконалення стратегії оптимальної перебудови існуючих залізниць з метою приведення основних залізничних напрямків до міжнародних параметрів (стандартів) на основі розробки нових математичних моделей.

Об'єкт досліджень – ділянки залізниці (об'єкти у межах транспортного коридору), що підлягають реконструкції з метою прискорення перевезень вантажів і пасажирів.

Предмет досліджень – процес уведення на залізницях України швидкісного руху поїздів.

Методи досліджень. У роботі використовувались:

- основні положення системного аналізу. Залізничний транспортний коридор розглядається як технічна система, представлення якої дається через морфологічний, функціональний й інформаційний опис з виділенням підсистем 1-го, 2-го і 3-го рівней;

- статистичний аналіз і натурні спостереження для визначення параметрів плану й поздовжнього профілю;

- методи математичного моделювання;

- методи динамічного та лінійного програмування, векторного аналізу для визначення першочергових ділянок, що підлягають реконструкції, і оптимального розподілу інвестицій на реконструкцію;

- динамічний натурний експеримент.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Уперше запропоновано модель розрахунку “показника швидкісного руху”, з використанням якого науково обгрунтовані і визначені пріоритетні ділянки для впровадження швидкісного руху на основних напрямках міжнародних транспортних коридорів.

2. Удосконалено способи визначення допустимих швидкостей руху на складних ділянках плану лінії з використанням математичної моделі просторових коливань пасажирського вагона. На основі цієї моделі й результатів проведених експериментальних поїздок зі швидкістю до 160 км/год розроблена методика перебудови плану лінії.

4. Уперше розроблено й застосовано для вирішення поставлених задач імовірнісну модель руху потоку поїздів, на основі якої прогнозуються середньозважена швидкість і підвищення зовнішньої рейки для перспективних умов експлуатації, співвідношення швидкостей руху для поїздів різних категорій, що дозволило удосконалити теоретичні основи обгрунтування мінімального радіусу й інших параметрів кривих.

5. Набула подальшого розвитку модель перебудови плану лінії. Новий підхід до визначення вартості перебудови кривих ділянок колії шляхом уведення коефіцієнтів, які інтерпретують закони розподілу обсягів робіт і вартісних ставок, надав можливість враховувати реально існуючі коливання обсягів робіт, більш обґрунтовано виділяти капіталовкладення на реконструкцію об'єктів і уникнути помилок, пов'язаних із неточним прогнозом.

6. Запропоновано комплексний спосіб проектування реконструкції поздовжнього профілю, який полягає в застосуванні тягово-експлуатаційної моделі. У якості критеріїв використовуються повні прискорення (поперечні, вертикальні, поздовжні) і коефіцієнт комфорту, що дозволяє визначати і впроваджувати заходи для покращення комфортабельності їзди пасажирів.

7. Уперше розроблено математичні моделі вибору стратегії оптимальної реконструкції залізниці, які базуються на використанні неадитивної функції скорочення часу від набору об’єктів, що включаються в реконструкцію. Новий метод дозволяє знаходити раціональну швидкість руху по кожному об’єкту чи ділянці відповідно критерію оптимізації (час руху, витрати електроенергії, експлуатаційні витрати тощо).

Практичне значення отриманих результатів.

1. Нові методи, положення і результати досліджень використані під час розробки і видання таких нормативних документів Укрзалізниці й ОСЗ:

- Правила визначення підвищення зовнішньої рейки і встановлення допустимих швидкостей у кривих ділянках колії на залізницях України”, розділ 5 “Визначення допустимих швидкостей руху по сполученнях кривих: ЦП/0056: Затв. наказом Укрзалізниці від 27. . . – К., 1999.

- Дифференцированные технические требования для железнодорожного пути в сообщении Европа–Азия: Р 786/1. – Варшава, 1999.

- Технические нормативы по реконструкции и содержанию железнодорожного пути в сообщении Европа–Азия: Р 786/2. – Варшава, 1999.

- Тимчасова інструкція з організації швидкісного руху пасажирських поїздів. Вимоги до інфраструктури та рухомого складу: ВНД 32.1.07.000-02: Затв. наказом Укрзалізниці від 12.07.02 № 360-Ц. – К., 2002.

2. Із застосуванням нової методики, запропонованої автором, визначено першочергові перегони для модернізації й усунення бар'єрних місць, що стримують швидкість руху, на ділянках Зернове–Київ Південно-Західної залізниці й Підволочиськ–Львів Львівської залізниці з оптимальним використанням капіталовкладень, що підтверджується відповідними актами.

3. Наукові результати використані у науково-дослідних роботах і в навчальному процесі – у магістерських роботах і дипломних проектах Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові положення, розробки й результати досліджень, що виносяться на захист, отримані особисто автором. У наукових працях, що опубліковані в співавторстві, особистий внесок автора такий.

У [1] подано доповнення до існуючої методики порівняння варіантів на основі уведення коефіцієнтів із заданим законом розподілу, що враховують можливі зміни складових будівельно-експлуатаційних витрат. У [2] розроблено модель вибору мінімального радіуса кривої з урахуванням недостовірності вихідних даних. У [3] подано методику збільшення довжини прямої вставки між сполученими кривими для різних розрахункових випадків. У [4] подано концепцію підвищення швидкості руху на конкретних ділянках Львівської залізниці. У [5] розроблено алгоритм для автоматизації розрахунків з визначення допустимої швидкості в кривих. У [6] запропоновано технологію функціонування підсистеми “АРМ-швидкість” для поетапного приведення існуючих ліній до міжнародних параметрів. У [10] розроблено алгоритм для визначення допустимої швидкості в кривих. У [11] обгрунтовано етапи модернізації залізниці на основі аналізу маршрутних швидкостей. У [12] наведено методику визначення сфери контрейлерних перевезень на ділянках із суміщеним рухом поїздів. У [13] сформульована постановка задачі і розроблено методику визначення мінімального радіуса кривих у плані для досягнення проектної швидкості. У [15] запропоновано методику, що базується на урахуванні геометричних і динамічних критеріїв при встановленні норм утримання кривих. У [16] запропоновано тягово-експлуатаційну модель для визначення можливостей підвищення швидкості руху. У [17] сформульована постановка задачі й запропоновано технологію визначення заходів для підвищення швидкості руху. У [18] запропоновано методику визначення параметрів кривих при реконструкції плану з урахуванням динамічного впливу поїздів на колію. У [19] запропоновано динамічну модель оцінки експлуатаційних витрат при впровадженні швидкісного руху. У [20] розроблено модель відступів в утриманні перехідних кривих і подана оцінка впливу на швидкість руху поїзда. У [21] сформульована постановка задачі й розроблено методику для визначення найбільш ефективних перегонів і послідовності виконання робіт із реконструкції залізниці. У [22] виконано аналіз різних методів зйомок кривих і запропонована їх паспортизація з урахуванням сучасних вимог. У [23] розроблено економіко-математичну модель оптимальної перебудови ділянок залізниці для підвищення швидкості руху поїздів. У [24] запропоновано методику встановлення проектної довжини прямої вставки між сполученими кривими на основі моделювання коливань пасажирського вагона, у [27] розроблено алгоритм перебудови існуючих кривих, що враховує коливання обсягів робіт і вартісних ставок.

Роботи [7-9, 14, 25 і 26] написані автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації доповідались і отримали схвалення на: V Міжнародній науково-технічній конференції Західного наукового центру Транспортної академії України і Жешувської політехніки “Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів” (Львів, жовтень 1995 р.); Міжнародній конференції “Шляхи розвитку західних транспортних інфраструктур і здешевлення послуг перевезень” (Ужгород, Закарпатінтерпорт, червень 1996 р.); Міжнародному науково-практичному семінарі Західного наукового центру Транспортної академії України “Проблеми комбінованого транспорту в Україні” (Львів, травень 1997 р.); VIII Міжнародній конференції “Vysokorychlostne tratе” (Словаччина, Жилінський університет, листопад 1997 р.); нараді експертів V Комісії ОСЗ “Технічні нормативи з улаштування й утримання залізничної колії при швидкостях 160-250 км/год” (Санкт-Петербург, серпень 1998 р.); Міжнародній конференції “Міжгалузеві проблеми екології транспорту” (Дніпропетровськ, ДІІТ, жовтень 1998 р.); X Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми взаємодії колії і рухомого складу” (Дніпропетровськ, ДІІТ, жовтень 1998 р.); науковому семінарі кафедр “Колія та колійне господарство” (Дніпропетровськ, ДІІТ, грудень 1998 р.); Міжнародній конференції з проблем захисту навколишнього середовища при організації швидкісного руху поїздів “RAILWAY NOISE–99” (Варшава, CNTK, травень 1999 р.); X Міжнародній конференції “Проблеми механіки залізничного транспорту” (Дніпропетровськ, ДІІТ, березень 2000 р.); I Міжнародній науковій конференції “Проблеми економіки транспорту в умовах реструктуризації” (Дніпропетровськ, ДІІТ, лютий 2001 р.); II  Міжнародній науковій конференції “Проблеми економіки транспорту” (Дніпропетровськ, ДІІТ, травень 2002 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми безпеки на транспорті” (Білорусь, БелГУТ, жовтень 2002 р.); міжкафедральному науковому семінарі кафедр “Колія та колійне господарство” і “Проектування, будівництво доріг та геодезія” (Дніпропетровськ, жовтень 2003 р.); Міжнародній науково-практичній конференції присвяченій 90-річчю професора М. А. Фрішмана “Проблеми взаємодії колії та рухомого складу” (Дніпропетровськ, ДІІТ, жовтень 2003 р.); Всеросійській науково-технічній конференції, присвяченій 125-річчю Свердловської залізниці “Проблеми і перспективи розвитку залізничного транспорту”, (Єкатеринбург, УрГУПС, жовтень 2003).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 51 науковій праці, у тому числі у 27 фахових виданнях і 24 – додаткових, з них 18 статей в наукових журналах; 20 статей у збірниках наукових праць; одне науково-виробниче видання і 12 статей у матеріалах і тезах міжнародних конференцій (Україна, Польща, Росія, Словакія).

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг становить 515 с., з них основний текст на 317 с., 128 рис. і 66 табл., список використаних джерел з 194 найменувань подано на 23 с., 19 додатків на 165 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета й задачі дослідження, відображена наукова новизна результатів, їх практичне значення. Наводяться відомості про апробацію й публікацію одержаних результатів.

У першому розділі виконано аналіз основних етапів підвищення максимальної швидкості руху поїздів за кордоном і в Україні, представлено системну модель транспортного коридору. Показано, що проблема швидкості для залізниць України набула великого значення, враховуючи геополітичне положення нашої держави й інтеграцію до європейської транспортної мережі.

Вказана проблема не є новою, але залишається різнобічною і складною. Комплексні дослідження технічних, економічних і соціальних проблем підвищення швидкості руху поїздів у різні роки проводили і проводять науково-дослідні інститути й вищі навчальні заклади.

У роботах професорів О. П. Єршкова, А. Ф. Золотарського, М. А. Фрішмана, М. А. Чернишова, розглянуті питання підготовки колії до високошвидкісного руху.

Дослідженням процесів взаємодії колії та рухомого складу при високих швидкостях присвячені роботи відомих авторів С. В. Вершинського, В. Д. Дановича, О. Я. Когана, М. Л. Коротенко, В. А. Лазаряна, М. О. Радченка, В. Ф. Ушкалова.

Наукові основи оптимізації поздовжнього профілю і плану залізниці з використанням математичних моделей викладено в роботах професорів Г. Л. Аккермана, Є. П. Блохіна, А. А. Босова, В. О. Бучкіна, О. В. Гавриленкова, А. К. Дюніна, І. І. Кантора, В. В. Рибкіна, І. В. Турбіна.

Вирішенням різних задач цієї багатопланової проблеми в Росії і Україні займалися професори В. Г. Альбрехт, С. В. Амелін, В. І. Ангелейко, М. Ф. Вериго, Б. Е. Глюзберг, Е. І. Даніленко, М. І. Карпущенко, В. І. Новакович, В. О. Певзнер, М. М. Путря, Є. С. Свінцов, Г. М. Шахунянц, В. Ф. Яковлєв, д.т.н. Е. М. Сокол; кандидати технічних наук Л. П. Ватуля, В. І. Євграфов, М. І. Карпов, І. П. Корженевич, О. О. Матвієнко, Л. З. Прасов, О. О. Шехватов; за кордоном – Н. Балух, Ф. Бірман, К. Мацубара, А. Тіль, та ін.

Враховуючи історичний досвід, а також беручи до уваги все те позитивне, що було накопичено в дослідженнях вчених країн СНД і Європи з проблеми швидкісного руху поїздів, поставлені в дисертаційній роботі задачі вирішуються з урахуванням реконструкції міжнародних транспортних коридорів і особливостей їх роботи у межах України на основі впровадження системного підходу.

Транспортний коридор, що сьогодні потребує реконструкції, характеризується сукупністю зовнішніх зв’язків із міжнародною мережею залізниць, іншими видами транспорту, природним середовищем.

Подамо транспортний коридор у вигляді набору елементів і тоді задача полягає в знаходженні такого набору елементів реконструйованої системи (), який дасть скорочення часу руху не менше потрібного при мінімальній вартості реконструкції |

(1)

Система , у свою чергу, розкладається на підсистеми |

(2)

де – підсистема 1-го рівня (відокремлена ділянка); під відокремленою будемо розуміти таку залізничну ділянку, яка складається з одного або декількох перегонів, та починається і закінчується станцією, де поїзд має обов’язкову зупинку; – номер відокремленої ділянки () від до у множині ; – фізична довжина. Тоді |

(3)

де – перелік затримок у русі поїзда, що не враховані в структурі підсистеми

; – функція визначення часу руху поїзда за результатами тягових рохрахунків.

Підсистема складається із множини підсистем 2-го рівня () – перегін, станція |

(4)

де – номер перегону () від до у множині .

Підсистема 2-го рівня () – це множина об’єктів , що обмежують швидкість руху і підлягають реконструкції (крива, ділянка хворого земляного полотна, дефектна штучна споруда, переїзд тощо). |

(5)

де – номер об’єкта реконструкції () від 1 до у множині .

Об’єкт характеризується довжиною () і вартістю реконструкції () для досягнення допустимої швидкості , де – варіант із скінченної кількості можливих .

Для підсистеми 2-го рівня потрібно знайти оптимальний набір об’єктів, що підлягають реконструкції на кожному перегоні – |

(6)

При цьому достовірне скорочення часу руху від реконструкції може бути отримане в результаті виконання тягових розрахунків (), що враховують стан перегону до і після реконструкції, результати на попередній і наступній ділянках, а також параметри ділянки (), що не включені в об’єкти можливої реконструкції.

У другому розділі досліджено передумови впровадження швидкісного руху поїздів на ділянках міжнародних залізничних коридорів, розташованих на території України. Для цього проаналізовані основні технічні параметри транспортних коридорів (технічне оснащення, параметри плану й профілю, вантажонапруженість) і їх відповідність європейським вимогам, тенденції росту маршрутних швидкостей та ін.

Маршрутна швидкість визначає кінцевий результат перевезень, а тому її аналіз представляє особливий інтерес. За даними Укрзалізниці побудовані графіки, (рис. 1).

У першому інтервалі ( 110 км/год) вартість реконструкції збільшується повільно і становить в середньому 0,2 млн. грн. на кожні 10 км/год підвищення маршрутної швидкості. Така швидкість забезпечується при уведенні прискореного руху пасажирських поїздів ( – до 160 км/год) – I етап реконструкції.

У другому інтервалі (110160 км/год) вартість реконструкції інтенсивно зростає і становить у середньому 1,7 млн. грн. на кожні 10 км/год підвищення маршрутної швидкості. Така швидкість забезпечується при уведенні швидкісного руху пасажирських поїздів (= 160-200 км/год) – II етап реконструкції.

Виконані розрахунки показали, що при підвищенні маршрутної швидкості до 95_ км/год і максимальної швидкості до 140-160 км/год можна реалізувати поїздки поїздами денного сполучення від Києва до Харкова, Одеси, Львова, Дніпропетровська, а також від Харкова до Сімферополя.

Рисунок – Залежність часу руху поїзда й вартості реконструкції ділянки довжиною 600 км від рівня маршрутної швидкості

Для визначення економічної ефективності перевезень пасажирів денними експресами проведено порівняння з існуючою схемою “вечір-ранок”. У загальному вигляді річна економія від упровадження швидкісного руху складається з економії локомотиво-годин , вагоно-годин , пасажиро-годин , можливої економії (при певних умовах, з урахуванням зйому вантажних поїздів) експлуатаційних витрат :

| (7)

де – розрахункові ставки відповідно на локомотиво-годину; вагоно-годину, помножену на кількість вагонів, і пасажиро-годину, помножену на кількість пасажирів в поїзді, грн.; , – відповідно довжина ділянки, км, і кількість пасажирських поїздів; – різниця маршрутних швидкостей до і після введення швидкісного руху, .

Для встановлення першочергових ділянок, що підлягають реконструкції, визначався позитивний ефект за рахунок збільшення маршрутної швидкості – і негативний ефект за рахунок зростання нерівномірності руху –, якщо не впроваджена достатня кількість заходів для ліквідації обмежень швидкості,

де і – коефіцієнти дисперсії швидкості до і після реконструкції відповідно; і – аналогічні коефіцієнти дисперсії прискорень.

Тоді ефективність підвищення швидкості можна визначити як

(8)

де , – питома вартість відповідно до ефекту і витрат .

При підвищення швидкості прийнятне і чим більше , тим воно вигідніше. За допомогою запропонованого показника (8) можна дати не тільки кількісну, але й якісну оцінки уведення швидкісного руху.

У третьому розділі показана необхідність удосконалення існуючої методики визначення допустимої швидкості руху на складних ділянках плану лінії і запропоновані нові підходи, які базуються як на геометричній моделі, так і використовують математичну модель просторових коливань швидкісного вагона.

Для визначення допустимої швидкості по сполученнях кривих при уведенні швидкісного руху розглядається процес загасання коливань при виході екіпажа з кривої ділянки на пряму за допомогою математичного моделювання. Як база була використана модель руху пасажирського вагона, розроблена в ДІІТі під керівництвом професора В. Д. Дановича. Відповідно до поставленої задачі були внесені доповнення, що враховують взаємодію реборд коліс і рейок при русі по кривій реального обрису, знятій у натурі і представленій у вигляді координат точок. Результатом розв’язку системи з 60 рівнянь є лінійні й кутові переміщення всіх розглянутих тіл, їхні швидкості й прискорення.

Були також досліджені процеси взаємодії екіпажа і колії при наявності розбіжностей відводів підвищення зовнішньої рейки і кривизни. Установлено, що випередження підвищення стосовно кривизни є несприятливими з позиції комфортабельності їзди і таку несправність слід оцінювати як відступ за рівнем. А випередження відводу кривизни відносно відводу підвищення зовнішньої рейки приводить до необхідності зменшення допустимої швидкості руху. На основі отриманих результатів відкорегована методика визначення допустимої швидкості руху поїздів в кривих з такими несправностями.

Показано, що похибки вихідних даних, а також відступи в утриманні кривих змінюють величину допустимої швидкості руху до 30

Четвертий розділ присвячено розробці технічних вимог і норм проектування реконструкції плану існуючих залізниць при впровадженні швидкісного руху.

До теперішнього часу не було вирішене питання щодо прогнозування параметрів кривих при перебудові залізниць під швидкісний рух. Запропонований автором підхід оснований на моделюванні руху потоку поїздів. Потік поїздів подається у вигляді тривимірної поверхні, що є апроксимуючою для реального розподілу мас і швидкостей руху поїздів. Така поверхня описується рівнянням , що визначає кількість поїздів для заданої швидкості й маси. Сумарний вплив потоку поїздів на колію визначається формулою

(9)

де – непогашене поперечне прискорення, що залежить від швидкості й параметрів кривої (радіуса й підвищення).

З метою наближення функції у виразі (9) до реальних умов експлуатації потік поїздів розглядається імовірнісним, розбивається на категорії, для кожної з яких задаються параметри законів розподілу.

Підвищення зовнішньої рейки. При визначенні оптимального підвищення в кривій розв’язується така система рівнянь: |

(10)

(11)

(12)

де – мінімальна сумарна дія поперечних сил на колію в кривій. Останнє забезпечується в тому випадку, коли виконується умова

,

де – відповідно кількість, маса і непогашені прискорення, що реалізуються поїздами категорії.

При неможливості прийняття підвищення зовнішньої рейки за вищевикладеними критеріями (10-12) передбачається скорочення інтервалу прогнозованих швидкостей . Враховуючи важливість цього питання, одним з критеріїв при встановленні параметрів плану лінії запропоновано співвідношення швидкостей вантажних і пасажирських поїздів.

Мінімальний радіус. Криві в більшості випадків визначають надійність роботи залізничної колії й рівень допустимої швидкості. На основі аналізу даних, отриманих з використанням моделі і матеріалів швидкісних випробувань локомотивів ЧС7, ЧС8 і ДС3, установлено, що в кривих радіусом 1400-1600 м максимально ймовірні напруження в кромках підошви рейок становлять 110-177 МПа (до 75від допустимого значення), а максимально ймовірні бокові сили 70-77 кН. При таких радіусах забезпечуються коефіцієнт стійкості рейко-шпальної решітки в колії з щебеневим баластом і стійкість коліс проти вкочення на головку рейки. Таким чином, основною умовою для визначення мінімального радіуса є неперевищення допустимих непогашених прискорень.

У дисертації встановлена сфера застосування мінімально рекомендованих і мінімально допустимих радіусів кривих. Мінімально рекомендовані радіуси кругових кривих у плані забезпечують виконання всіх трьох вимог (10-12); рекомендуються при перебудові кривих із малими кутами повороту (до 15-20о) і робочими відмітками земляного полотна до 4-6 метрів.

Мінімально допустимі радіуси визначаються за графіками на пересіченні кривих і , (рис. 2). У цьому випадку виконуються тільки дві умови – (11) і (12).

Приймати допускається у складних умовах траси при вантажонапруженості до 15-20 млн. ткм/км за рік.

Рисунок – 2. Залежність підвищення зовнішньої рейки від радіуса кривої (=160 км/год, = 90 км/год, =70 км/год)

Перехідні криві. Аналіз запропонованих Шахунянцом, Дюніним, Мінорським, Лохтманом і Роте та ін. перехідних кривих показав, що всі вони на значному протязі в початковій частині мають малі ординати і утримання таких кривих у правильному положенні при сучасній конструкції верхньої будови колії важко здійснити. В той же час, прийнята на залізницях СНД і інших країн радіоїдальна спіраль не задовольняє всім необхідним вимогам на початку і в кінці перехідної кривої, що, однак, можна компенсувати належним вибором її довжини для обмеження виникаючих сил і прискорень.

Для проведення аналізу взаємодії рухомого складу і колії в перехідних кривих і установлення необхідної їхньої довжини були використані матеріали дослідних поїздок на перегоні Тавричеськ–Бурчацьк Придніпровської залізниці (електровоз ЧС2, радіус 760 м), на перегоні Петро Кривоніс–Підгірці Південно-Західної залізниці (електровоз ЧС8, радіус 1400 м), проведених ДІІТом і електровоза ЧС4 зі швидкістю 160 км/год по кривій радіусом 1600 м, проведених “ВНИИЖТ”. Аналіз даних експерименту показав, що при правильно встановлених параметрах перехідних кривих, які відповідають максимальній швидкості руху і радіусу кругової кривої, цілком забезпечуються міцність і надійність несучих елементів конструкцій верхньої будови колії й комфортабельність їзди при перехідних кривих у вигляді радіоїдальної спіралі.

У дисертації встановлені аналітичні залежності для розрахунку довжини перехідної кривої, (таблиця). Коефіцієнти і показують відношення відповідно середньозваженої і мінімальної швидкості до максимально встановленої.

Таблиця – Розрахункові формули для визначення довжини перехідної кривої

Рухомий склад | Швидкість | Розрахункова формула

Пасажирські поїзди |

(13)

Поїздопоток |

(14)

Вантажні поїзди |

(15)

Аналіз виконаних розрахунків (13-15) показав, що довжина перехідної кривої не завжди визначається умовами пасажирського руху поїздів із максимально допустимими швидкостями і недостатньою є рекомендація щодо відводу підвищення зовнішньої рейки, який не повинен бути більшим за 1.

Довжина прямої вставки між сполученими кривими. За основний критерій обмеження швидкості на кривих ділянках колії прийняті горизонтальні прискорення. З використанням моделі додатково був досліджений процес загасання бічних коливань кузова вагона і їхніх кутових прискорень. На рис. 3 наведені графіки затухання коливань пасажирського вагона при виході з кривої радіусом 1400 м, побудовані за результатами експериментальних поїздок.

Проведене дослідження показало, що мінімально необхідна довжина прямої вставки залежить від рівня прискорень на перехідній кривій. За наявності перехідної кривої достатньої довжини (інакше уже не пряма вставка, а сама крива буде обмежувати швидкість) основним, визначальним фактором є швидкість руху, і тоді довжина прямої вставки між кінцями суміжних кругових може визначатись за формулою . Установлено, що при швидкісному русі більшу частку при визначенні займає не довжина прямої вставки між точками перехідних кривих, а довжина перехідних кривих, упродовж яких здійснюється відвод підвищення зовнішньої рейки.– 

швидкість руху,  – довжина ділянки, упродовж якої відбувається затухання коливань вагона при виході з кривої до рівня, що наявне на прямій

Рисунок 3 – Графіки затухання коливань вагона

Норми утримання кривих. При дослідженні цього питання на кривій були виділені чотири характерних ділянки, що розрізнялись кривизною, різницею стріл вигину й підвищенням зовнішньої рейки. На кожній ділянці визначені непогашені прискорення: умовно статичні , які не враховували нерівності, що були наявні в плані й профілі і динамічні – отримані в експерименті. Установлено, що із збільшенням швидкості руху різниця між непогашеними прискореннями () росте за лінійним законом. і не перевищує 5якщо різниця стріл вигину кривої не більше 2 мм, що випливає з рис. 4. З нерівностей, що мають місце в плані і профілі, більш суттєвими є планові, питома вага яких становить близько 80від загального значення непогашенних прискорень при швидкості руху 160 км/год.

Проведений експеримент підтвердив теоретично встановлені вимоги до утримання кривих на ділянках швидкісного руху і необхідність урахування повних прискорень , що діють на пасажира і визивають стомлювальність.

Для прикладу, на рис. 5 наведений графік дії на пасажира прискорень в кривій радіусом 1400 м при швидкості 160 км/год.

При русі по прямій ділянці колії (до відмітки “0” і після “300” на поздовжній осі) переважали вертикальні прискорення з чергуванням напрямку дії угору-вниз і частотою коливань приблизно 3,7 Гц (близьких до резонансних для пасажира як механічної системи). При русі по кривій характер дії повного прискорення змінювався. Переважним ставало горизонтальне прискорення, спрямоване назовні кривої, і частота коливань зменшувалася більше, ніж у 2 рази в порівнянні з прямою ділянкою колії (приблизно 1,5 Гц). Зміна напрямку дії прискорень визиває у пасажира дискомфорт і наближає час утоми.

П’ятий розділ. Присвячено розробці методів перебудови плану лінії для підвищення швидкостей руху поїздів.

Дане питання виявилося мало вивченим, що пояснюється відсутністю гострої потреби в перебудові кривих при звичайних швидкостях руху. Така необхідність з'явилась при організації швидкісного руху. Так, для підвищення швидкості руху поїздів на напрямку Київ-Дніпропетровськ було уположено понад 20 кривих.

Перебудова перехідних кривих. У дисертації детально проаналізовані існуючі способи подовження перехідних кривих і показано, що всі вони потребують зміщення осі колії кругової кривої і уширення існуючого земляного полотна.

Автором проведено дослідження можливості замість існуючої короткої перехідної кривої використання перехідної кривої необхідної довжини виду . Одним із позитивних моментів таких перехідних кривих є те, що при їхньому улаштуванні не виникає потреби в зміщенні вісі кругової кривої.

Були теоретично досліджені динамічні процеси взаємодії рухомого складу й колії при проходженні таких перехідних кривих. Відмічено, що цьому процесу притаманні виляючий рух і бокова качка. Для ілюстрації на рис. 6 показана залежність динамічних горизонтальних прискорень кузова вагона від величини забігу (-30...30) метрів відносно початку існуючої перехідної кривої при рухові по перехідній кривій виду у порівнянні з радіоїдальною спіраллю: існуючою - довжиною 60 м і проектною – 90 м.

Рисунок 6 – Залежність динамічних горизонтальних прискорень кузова вагона від величини забігу при рухові по перехідній кривій виду у порівнянні з радіоїдальною спіраллю

Слід зазначити, що розглядались прискорення не на буксі, де вони менші, а в кузові, тобто ті, які діють на пасажира. Аналіз графіків на рис. 6 показав, що при від’ємних забігах горизонтальні прискорення кузова на вході в перехідну криву різко збільшуються і досягають 1...1,5 м/с2. Після стабілізації процесу входження екіпажу в криву (0...25 м) при додатних забігах динамічні процеси не гірші, ніж при рухові вагона по радіоїдальній спіралі.

На основі аналізу геометричних (статичних) і динамічних показників установлено, що із сімейства кривих виду можна підібрати такі, які практично забезпечують вимоги, пропоновані до перехідних кривих, зберігши при цьому, що дуже важливо, незмінним положення кругової кривої.

Перебудова кругових кривих. Для визначення зміщення вісі колії (нормалів) і обсягів робіт при збільшенні радіусів кривих розроблені алгоритм і програма розрахунків. При цьому був удосконалений метод визначення вартості перебудови кривих на основі ймовірного моделювання коливань обсягів робіт і вартісних ставок, що реально завжди були наявні, але не враховувались. Як приклад, на рис. 7 наведені заключні результати розрахунків визначення вартості перебудови кривої.

Аналіз отриманих даних дозволяє зробити такі висновки: з ймовірністю 80будівельна вартість не перевищить 7,0 млн. грн.; математичне очікування вартості становить 5,0 млн. грн.; з рівнем довіри 0,6 будівельна вартість буде знаходитися в межах 3,5_,0 млн. грн.

Запропонований метод надає можливість уникнути помилок, пов'язаних із неточним прогнозом.

Шостий розділ присвячено розробці технічних вимог і норм проектування реконструкції поздовжнього профілю.

Запропонована в дисертації методика базується на застосуванні тягово-експлуатаційної моделі, в якій використовуються такі критерії як повні прискорення і показник комфорту пасажира (рекомендований ОСЗ).

При такому підході враховуються складові повних прискорень: поздовжні прискорення, що виникають при русі пасажирських поїздів по переломах профілю і зв’язані з процесами гальмування і розгону; поперечні, що виникають при русі по кривим у плані і вертикальні – при русі по кривих у вертикальній площині (рис. 8). Визначені заходи дозволяють віддалити час стомлюваності пасажирів і покращити комфортабельність їзди з мінімально необхідними чи обмеженими на реконструкцію витратами

.

Рисунок 8 – Графіки зміни повних прискорень (2), показника комфорту пасажирів (3) на ділянці поздовжнього профіля (4) відповідно до кривої швидкості руху (1)

Для дослідження руху пасажирських поїздів на переломах поздовжнього профілю дисертантом були виконані розрахунки найбільших поздовжніх сил і прискорень для ямо- і горбоподібного профілю запроектованого елементами 200, 100 і 50 метрів при постійному значенні вертикального радіусу за програмою, розробленою в ДІІТі під керівництвом професора Є. П. Блохіна. Отримані результати зіставлені з фактичними даними після обстеження таких ділянок профілю. Установлено, по-перше, що в процесі поточного утримання колії під впливом поїздів відбувається згладжування місць переломів поздовжнього профілю, які приймають криволінійний обрис, по-друге, при постійному менші поздовжні сили й прискорення виникають, коли профіль запроектований короткими елементами (рис. 9), що має особливе значення при збільшенні кількості вагонів у поїзді – з наближенням до хвоста поїзда спостерігається зростання різниці прискорень.

Рисунок 9 – Різниця прискорень по довжині поїзда для різних варіантів проектування профілю

У сьомому розділі виконано теоретичні дослідження і розроблений метод оптимальної перебудови залізниці для впровадження швидкісного руху поїздів.

Із-за обмеження фінансових і матеріально-технічних ресурсів виникає задача вибору оптимальної послідовності реконструкції лінії. Розв’язання такої задачі є складним, тому що необхідно розглядати взаємозалежні ділянки (об'єкти). Для таких ділянок характерним є те, що скорочення часу руху поїзда, отримане на кожному об’єкті після усунення обмеження швидкості руху, не дорівнює виграшу в часі, якщо зняти всі обмеження швидкості. Тобто критерій не є адитивним, і отримати достовірні дані можна тільки після виконання тягових розрахунків при різних комбінаціях зняття обмежень швидкостей (ліквідації бар'єрних місць), що неможливо здійснити прямим перебором варіантів.

Представимо ділянку залізниці як набір об'єктів . Нехай – безліч об'єктів . Тоді задача зводиться до визначення такої підмножини , щоб реконструкція обраних об'єктів забезпечувала скорочення часу не менше заданого, а її вартість при цьому була мінімальна.

Потрібно знайти так, щоб

(16)

де – скорочення часу руху за рахунок реконструкції набору об'єктів ; – 

вартість реконструкції набору об'єктів , , а – вартість реконструкції об'єкта для переходу від швидкості (існуючий стан об'єкта) до швидкості .

Якщо прийняти критерій адитивним, тобто , то розв’язком буде множина . Далі формується множина , що містить і елементи множини , упорядковані за зростанням відношення :

.

Множник керує, на якому об'єкті множини необхідно зупинитися при формуванні підмножини , і визначається з нерівності .

Так як насправді функція не є адитивною, то для вирішення цього питання вводиться функція напівадитивна знизу і – напівадитивна зверху:

Щоб мати можливість підібрати оптимальне співвідношення між скороченням часу руху і необхідними для цього заходами, треба одержати розв’язок для всіх можливих . Тоді вирішується задача з функцією для й уточнюється тяговими розрахунками. Результатом є множина , елемент якої складається з набору об'єктів (), поки , де - останній елемент підмножини (), скорочення часу і їхньої вартості , причому елементи множини упорядковані за і .

Формується