Східноукраїнський національний університет

імені Володимира Даля

Парунакян Ваагн Емілійович

УДК 625.173.001

РОЗВИТОК ТЕОРІЇ І МЕТОДІВ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ СИСТЕМИ ТЕХНІЧНОГО Утримання ЗАЛІЗНИЧНИХ КОЛІЙ ПРОМИСЛОВИХ ПІДПРИЄМСТВ

Спеціальність 05.22.12 – Промисловий транспорт

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Луганськ 2004

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі “Промисловий транспорт” у Приазовському державному технічному університеті (м. Маріуполь) Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант

доктор технічних наук, професор Губенко Володимир Костянтинович,

Приазовський державний технічний університет, декан факультету “Транспортні технології”, зав. кафедрою “Технології міжнародних перевезень і логістика”

Офіційні опоненти:–

доктор технічних наук, професор Даниленко Едуард Іванович, Київський національний університет економіки і технології транспорту, зав. кафедрою "Реконструкція і експлуатація залізничних колій і споруд".–

доктор технічних наук, професор Нечаєв Григорій Іванович, Східноукраїнський національний університет, директор інституту транспортних технологій.–

доктор технічних наук, професор Бубнов Валерій Михайлович, ОАО "Азовмаш", генеральний конструктор вагонобудування.

Провідна установа

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна.

Захист відбудеться 23.04.2004 р. у 10 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 29.051.03 у Східноукраїнському національному університеті ім. Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20-А.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20-А.

Автореферат розісланий 21.03.2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Осєнін Ю.І.

Загальна характеристика роботи

Вступ. Ефективна робота підприємств чорної металургії значною мірою залежить від якості роботи транспортної системи. Переважає тут залізничний транспорт (до 70 % вантажопотоку), більше двох третин обсягів перевезень якого пов'язане з обслуговуванням виробничих агрегатів.

Стійка і ритмічна робота залізничного транспорту забезпечується за умов стабільного догляду стану рейкової колії. В чорній металургії України експлуатується близько 7,3 тис. км. колій. Більше 70 % колій, довжиною до 500 км. належить великим підприємствам. Тому важливим завданням є підтримка технічного стану залізничних колій на рівні виробничих вимог.

Проведена на підприємствах галузі робота по зміцненню верхньої будівлі за рахунок збільшення обсягів ремонту дозволила підвищити параметри міцності найбільш вантажонапружених колій. Проте вона не була підтримана заходами щодо забезпечення надійності колії в експлуатації і його стан почав погіршуватись. Це призвело до зростання кількості перебоїв в роботі транспорту та втрат в основному виробництві. Склалася ситуація, за якої зміцнення ремонтної складової, що ґрунтувалось на колишніх принципах, не могло протистояти інтенсивному руйнуванню колій, а система поточного змісту виявилася до цього функціонально не готовою. Тобто стала розбалансованою вся система технічного утримання залізничної колії (СТУ залізничної колії) підприємств.

В умовах ринкової економіки, спад виробництва призвів до істотного (на 35-45 %) зниження вантажопотоку підприємств, а зменшення доходів - до різкого скорочення (у 1,8-2 рази) обсягів фінансування, що направляються на зміст і ремонт технічних засобів залізничного транспорту. Особливо несприятливо це позначилося на колійному господарстві, оскільки зі зменшенням вантажопотоку потреба в ресурсах на утримання колій знизилася несуттєво, бо її основна частина (до 65 %) практично не залежить від перевезень.

Отже, на сучасному етапі найважливішим питанням є удосконалення системи технічного утримання, до якого входить весь комплекс питань, що забезпечують її цільове функціонування і готовність залізничної колії до її експлуатації.

Актуальність теми. Аналіз ступеня дослідження проблеми підвищення ефективності СТУ залізничних колій підприємств показав, що у її вирішенні відсутній системний підхід, а існуючі розробки в організаційному і, особливо, в оптимізаційному відношенні розглядають або окремі нормативи на ремонт колій, або показники технологічних процесів ремонтно-колійних робіт і таке інше. Відомі розробки моделей обґрунтування параметрів колійної техніки, проте вони недостатньо враховують технологічні вимоги й умови експлуатації. Відсутні методи діагностики колії, формування й оптимізації комплексного плану ремонтно-колійних робіт з урахуванням стану колій, а також оперативного планування і керування їхнім виконанням, не вирішені теоретичні питання комплексної механізації колійних робіт. Відсутня концепція створення АСУ, як основи для підвищення ефективності керування СТУ залізничних колій.

Таким чином, впровадження в практику сучасної технології і комплексу нових науково-обґрунтованих пропозицій з удосконалення СТУ залізничних колій, що створені на основі теоретичних розробок даної дисертаційної роботи, дозволяють класифікувати її як актуальну, спрямовану на рішення важливої науково-технічної проблеми - підвищення ефективності функціонування виробничо-транспортних систем (ВТС) підприємств.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Основні результати дисертаційної роботи отримані під час виконання науково-дослідних робіт у рамках завдань, визначених наказами Мінчормета СРСР від 03.04.1980 р. № 349 (№№ 8012/74; 1007/24; 0007/24) і від 12.09.1986 р. № 1055 (№ 4/87), наказами Мінчормета УРСР від 18.06.1980 р. № 262 і РПО "Укрметалургпром" від 17.12.1981 р. № 58 (№ 41/84 ), а також по госпдоговорам з Магнітогорським меткомбінатом (№№ ФЛ-25; ФЛ-38; ФЛ-42 і ФЛ-52), Соколовсько-Сарбайським гірничо-збагачувальним виробничим об'єднанням (№ 3/85), Маріупольськими меткомбінатами ім. Ілліча (№№ 30/89, 203-У/93), "Азовсталь" (№ 112/94) та іншими підприємствами.

Роботи пов'язані з розвитком теорії та методів комплексного підвищення ефективності системи технічного утримання залізничних колій промислових підприємств і їх практичної реалізації. Автор є науковим керівником і основним виконавцем зазначених робіт.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток теорії і розробка методів підвищення ефективності системи технічного утримання залізничних колій промислових підприємств на основі оптимізації планування, комплексної механізації та удосконалення організації колійних робіт і комп'ютеризації керування для забезпечення їх готовності з мінімальними витратами.

Поставлена мета визначила такі основні завдання дослідження:

1. Проаналізувати стан, методи, що існують, і основні напрямки удосконалення системи технічного утримання залізничних колій підприємств, на цій основі розробити системні характеристики й закономірності, сформулювати концепцію підвищення її ефективності.

2. Дослідити закономірності руйнування і розробити методи, моделі й алгоритми керуючих впливів щодо підтримання працездатного стану залізничних колій підприємств.

3. Розробити систему технологічних показників комплексної механізації колійних робіт.

4. Розробити і дослідити методи і моделі оцінки технічного рівня, вибору типу і формування комплектів колійних машин для підприємств.

5. Розробити методи, моделі й алгоритми оперативного планування і керування організацією ремонтно-колійних робіт в умовах поточного виробництва.

6. Розробити концепцію комп'ютеризації управління системою технічного утримання залізничних колій підприємств.

7. Здійснити промислові випробування і верифікацію розроблених методів і моделей.

Об'єктом дослідження в роботі є система технічного утримання залізничних колій підприємств, а предметом дослідження закономірності складових її елементів: методи удосконалення техніко-економічного планування колійних робіт, оперативного планування і керування ходом їх виконання, техніки і технології колійних робіт, що забезпечують підвищення ефективності функціонування СТУ залізничних колій в цілому.

Методи досліджень. Для вирішення поставлених завдань в роботі використовуються наступні методи досліджень. Метод техніко-економічного аналізу і науково-технічних узагальнень використаний для оцінки стану традиційної СТУ залізничних колій підприємств. Для виявлення системних характеристик і закономірностей забезпечення готовності залізничних колій використовувався системний підхід і методологія системного аналізу. Основні фактори, що впливають на рівень технічного стану залізничних колій, встановлювалися із застосуванням методу математичної статистики.

Для вибору оптимальної системи обслуговування залізничних колій в рамках ремонтного циклу використовувалося динамічне програмування з багатокроковою оптимізацією його структури. Моделі оперативного планування і керування організацією робіт і обслуговування виробничих агрегатів ґрунтувалось на теорії графів, статистичному моделюванні та теорії масового обслуговування, а їх відпрацьовування і впровадження здійснювалися на основі промислових випробувань.

Економіко-математичне моделювання здійснювалося при обґрунтуванні техніко-економічних параметрів колійної техніки і системи машин, а також у встановленні показників індустріального методу ремонтних робіт. Математичне моделювання, експериментальний метод і метод математичної статистики використовувались для визначення закономірностей руйнування залізничних колій і встановлення їх залежності від умов експлуатації, обґрунтуванні технологічних показників комплексної механізації і параметрів машин.

При розробці вихідних вимог на колійну техніку, для визначення функцій і конструктивної схеми машин застосовувався метод морфологічного аналізу і синтезу технічних рішень, а їх доведення і впровадження здійснювалися на основі промислових випробувань.

Наукова новизна отриманих результатів визначається розвитком теорії та методів підвищення ефективності системи технічного утримання і забезпечення готовності залізничних колій для специфічних умов промислових підприємств, у зв'язку з чим:

- вперше розроблена концепція підвищення ефективності СТУ залізничних колій підприємств з метою забезпечення їх готовності з мінімальними витратами. У ній, на відміну від відомих підходів, з використанням системотехніки і системного аналізу: в рамках виробничо-транспортної системи (макрорівень) описані загальна задача, системні характеристики і закономірності функціонування СТУ залізничних колій, запропоновані аналітичні залежності для визначення вихідних показників виробничого і транспортного комплексів; на мікрорівні при аналізі СТУ залізничних колій, як багатоструктурної підсистеми, на основі декомпозиції загальної задачі структуризовані підзавдання, що реалізують її функції. На цій основі обґрунтована цільова функція й визначений критерій її ефективності;

- розроблені математичні моделі руйнування залізничної колії в міжремонтному циклі під впливом пропущеного тоннажу вантажів, осьового навантаження й інших факторів, що уточнюють терміни служби його елементів і наростання розладів геометричних параметрів колії в конкретних умовах експлуатації; у структуру циклу відновлювальних робіт включені роботи поточного утримання, а оптимальна ремонтна схема знайдена методом динамічного програмування;

- уперше як основний технологічний параметр процесу ремонту залізничних колій запропонований розрахунковий темп робіт, величина якого встановлена за вихідними показниками робіт виробничого і транспортного комплексів за умови їх високопродуктивного функціонування; величина розрахункового темпу робіт реалізується провідною машиною в комплекті ремонтних машин. З урахуванням цих факторів розроблені математичні моделі ремонту залізничних колій, що дозволяють визначати через тривалість циклу основної операції, продуктивність провідної машини і вироблення комплекту машин; як критерій оптимальності технологічних показників приймаються величина розрахункового темпу робіт або за умови проведення робіт, що відповідають тривалості його ремонтного процесу;

- розроблена методика оцінки технічного рівня (якості) машин, що ґрунтується на математичній моделі еталонної машини, адекватної об'єкту з оптимальними технічними показниками, і стосовно неї здійснюється оцінка показників нової машини аналогічного функціонального призначення на відповідність технологічним критеріям і умовам робіт;

- уперше запропонована математична модель процесу поточного догляду залізничних колій на основі багатоцільових машин з базовим модулем і трансформованим робочим органом, що дозволяє визначати їх виробіток за одну зміну, який встановлюється поопераційною технічною продуктивністю машин, питомою вагою кожної операції і тривалістю переналагоджень; цей фактор приймається як критерій оптимальності для обґрунтування кількості машин і вибору варіанта комплектування робочих органів у конкретних умовах роботи;

- уперше розроблена методика й алгоритм оперативного планування і керування організацією ремонту залізничних колій в умовах поточного виробництва; первинний графік ремонту ділянки колії представлений окремим модулем; для його відображення використана ймовірнісна тимчасова модель з детермінованою мережею, а для розрахунку характеристик робочих операцій застосовано математичний апарат статистичних випробувань, чим досягається висока надійність показників; первинні модулі поєднуються в сітьовий графік ремонту об'єкта, йому резервуються ресурси для коректування графіка робіт і передаються функції оперативного керування;

- уперше розроблена концепція автоматизованої системи керування технічним утриманням залізничних колій підприємств, що визначає принцип керування, перелік завдань, функцій і структуру АСУ, спрямовані на забезпечення готовності колій з мінімальними витратами.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій обумовлені адекватністю моделей реальним об'єктам, коректністю використання математичного апарата програмування і введенням у моделі достовірних вихідних показників. Підтвердженням вірогідності є задовільна збіжність результатів теоретичних і експериментальних досліджень, розрахункових характеристик і показників, отриманих при експериментальному моделюванні з показниками промислових випробувань і які можуть відбуватись за умов експлуатації та ремонту колій, а також реалізація розроблених методів, моделей і рекомендацій на промислових підприємствах і в галузевих нормативних документах.

Наукове значення роботи полягає в тому, що запропоновано концепцію, принципи, методи і моделі, що у сукупності дозволяють оптимізувати параметри функціонування і структуру СТУ залізничних колій, як складної підсистеми виробничо-транспортного комплексу підприємств, і забезпечити їх готовність з мінімальними витратами.

Практичне значення отриманих результатів. Широке застосування розробленої методології, моделей і алгоритмів дозволяє розв'язувати актуальні проблеми технічного утримання залізничних колій підприємств у провідних галузях промисловості, у різних функціональних аспектах і на різних рівнях управління, у виробничому і транспортному процесах підприємств, при проектуванні, виконанні науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт і в навчальному процесі у вищих навчальних закладах.

Результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування в наступних організаціях і підприємствах: В Міністерстві чорної металургії СРСР при розробці "Посібника з ремонту і утримання залізничних колій підприємств чорної металургії" та в інших нормативних документах з технічного утримання залізничних колій затверджених Мінчорметом СРСР. У проектному інституті Гіпромез (м. Москва) при розробці "Основних напрямків розвитку колійного господарства залізничного транспорту чорної металургії на період до 1990 року" і інших матеріалів. На меткомбінаті ім. Ілліча (м. Маріуполь, Україна) при розробці і впровадженні колієвимірювального комплексу; рекомендацій з удосконалення технології, механізації й організації поточного утримання колії на залізобетонних шпалах; системи контролю й оцінки технічного стану залізничних колій; проекту автоматизованої системи керування колійнім господарством. На меткомбінаті "Азовсталь" (м. Маріуполь, Україна) при розробці і впровадженні залізобетонної плитної підстави для стрілочних переводів і колієвимірювального комплексу. На Магнітогорському меткомбінаті (м. Магнітогорськ, Росія) при розробці і впровадженні: спеціалізованого колієукладального крана для підприємств; системи оперативного планування і керування організацією капітального ремонту залізничних колій; нової системи поточного утримання залізничних колій. На Соколовсько-Сарбайському гірничо-збагачувальному виробничому об'єднанні (м. Рудний, Казахстан) при розробці і впровадженні нової системи поточного утримання залізничних колій. На Нижньотагильському (м. Нижній Тагіл, Росія), Челябінському (м. Челябінськ, Росія) і Макіївському (м. Макіївка, Україна) меткомбінатах, Південному (м. Кривої Ріг, Україна) гірничо-збагачувальному комбінаті, Донецькому металургійному заводі та інших підприємствах, при розробці і впровадженні нової системи поточного утримання залізничних колій і ін. На Істинському машинобудівному заводі (м. Іст'є, Рязанська обл., Росія) при створенні й опануванні нової колійної техніки. У навчальний процес на кафедрі "Промисловий транспорт" факультету транспортних технологій Приазовського державного технічного університету.

Практичне впровадження результатів роботи підтверджується відповідними документами, що додаються до роботи.

Особистий внесок здобувача. Усі положення і результати, що виносяться на захист, отримані автором самостійно.

У роботах, опублікованих у співавторстві, дисертанту належить: (4) - розробка концепції розвитку колійного господарства підприємства, визначення завдань і методології системного підходу до вирішення проблеми; (5) - аналіз показників функціонування, визначення тенденції і розробка технічних рішень по розвитку транспортної системи підприємств; (8) - формулювання вимог, постановка завдань і методології формалізації проблеми; (11) - визначення вимог і розробка моделі організації переукладальних робіт з використанням тракторних агрегатів; (12) - розробка моделі обґрунтування техніко-економічних параметрів колійних машин; (14) - формулювання задачі, визначення вимог і розробка моделі для оцінки технічного рівня колійних машин; (15) - розробка економіко-математичної моделі оптимізації структури циклу ремонту рейко-шпальної решітки при індустріальному методі ремонтно-колійних робіт; (16) - розробка алгоритму статистичного моделювання для оперативного планування і керування організацією ремонту колії; (17) - розробка методології планування і керування ремонтом колії з використанням детермінованої сітьової моделі й алгоритму її реалізації в часі; (21) – розробка основних параметрів та диапазону вимірювань; (22) - обґрунтування параметрів і регламенту контролю і принципів визначення кількості інформації при технічній діагностиці колій підприємств; (23) - аналіз інформаційних потоків і функцій керування, формулювання задач керування СТУ залізничних колій підприємств; (24) - формулювання вимог і визначення технологічного регламенту зварювання рейкових плітей в умовах підприємств; (25) - обґрунтування вимог, параметрів і сфери застосування різних типів підрейкової основи для стрілочних переводів підприємств; (26) - аналіз результатів експериментальних досліджень і розробка пропозицій з удосконалення конструкції залізобетонної плитної підстави стрілочних переводів; (27) - розробка принципової схеми; (28) - розробка принципової схеми і конструкції керованого колієзахватного пристрою; (29) - розробка принципової схеми; (30) - розробка принципової схеми і конструкції вузла вирізки щебеню; (31) - розробка конструкції вимірювального візка; (32) - розробка принципової схеми і конструкції опорного пристрою стріли; (33) - розробка схеми розміщення вимірювального пристрою на візку вагоноколієвимірювателя; (34) - розробка принципової схеми і моделі розрахунку бічної опорної площі проміжної пластини.

Внесок автора в спільні роботи оцінюється як істотний і позитивний.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи були обговорені й одержали схвалення на: науково-технічній раді НПО тепловозобудування і колійного машинобудування (м. Коломна, Московська обл., 1982 р.), технічних радах залізничного транспорту металургійних комбінатів ім. Ілліча (м. Маріуполь, 1982 р., 1994 р.), "Азовсталь" (м. Маріуполь, 1998 р.), Магнітогорського меткомбінату (м. Магнітогорськ, Росія, 1977 р.), Південного гірничо-збагачувальному комбінаті (м. Кривий Ріг, 1990 р.), Соколовсько-Сарбайському гірничо-збагачувальному виробничому об'єднанні (м. Рудний, Казахстан, 1991 р.), регіональних науково-технічних конференціях Приазовського державного технічного університету (м. Маріуполь, 1992-2003 рр.), Міжнародній науковій конференції "Інформаційні технології на транспорті: стан справ і основні напрямки розвитку" (Український транспортний університет, м. Київ, 1998 р.), 3 Міжнародній науково-практичній конференції "Ринок послуг комплексних транспортних систем і прикладні проблеми логістики" (компанія "АВТОЭКСПО", м. Київ, жовтень, 2001 р.), Міжнародній науково-технічній конференції кафедр академії і фахівців залізничного транспорту і підприємств (ХГАЖТ, листопад, 2001 р.), в Інституті транспортних технологій Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля (м. Луганськ, 2002-2003 рр.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 36 друкованих працях. Серед них 3 монографії, 23 статті, 8 авторських посвідчень і патентів і 2 галузевих нормативно-технічних документа.

Додатково результати дисертації викладено в 3 монографіях, 2 брошурах, 18 статтях, 8 авторських посвідченнях і в 16 депонованих звітах з науково-дослідних робіт.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, семи розділів і двох додатків. Повний обсяг роботи 447 стор., 62 рис. на 61 стор.; 52 табл. на 62 стор.; 5 додатків на 40 стор.; список використаних джерел з 226 найменувань на 23 стор.

Основний зміст роботи

Вступ. Обґрунтовано актуальність розглянутої проблеми, сформульовані мета і завдання дослідження, відбиті наукова новизна і практична цінність роботи, відзначені її кількісні і якісні результати.

У першому розділі розглянутий сучасний стан проблеми, виконаний аналіз розвитку СТУ залізничних колій промислових підприємств і здійснена постановка завдань. У 1970-1985 рр. на підприємствах галузі було проведено масштабні роботи з переозброєння колійного господарства. Збільшення обсягу, централізація і механізація ремонтних робіт дозволили вчасно підсилити конструкцію і підвищити параметри міцності вантажонапружених перегонів і технологічних колій. Разом з цим, не була завершена модернізація конструкції колій, необґрунтовано були послаблені вимоги й обмежені ресурси, що спрямовуються на поточне утримання колії. Диспропорція в системі технічного утримання зумовила погіршення стану колії, призвела до збільшення кількості сходів рухомого складу, збоїв у роботі транспорту і втратам в основному виробництві. У цілому, розглянутий період характеризувався збільшенням основних фондів колійного господарства, що врешті-решт не забезпечило необхідної стабільності колії. В умовах ринкової економіки негативні тенденції в колійному господарстві підприємств зберігаються.

Під системою технічного утримання (СТУ) залізничних колій розуміємо сукупність технічних, технологічних, організаційних і управлінських функцій, що визначають її цільове функціонування і забезпечують готовність залізничних колій з мінімальними витратами. Встановлено, що традиційна СТУ залізничних колій не зовсім відповідає виробничим вимогам: ремонтні нормативи недостатньо враховують конкретні умови експлуатації і не містять планових робіт поточного утримання (ППР); формування річного плану ремонтно-колійних робіт здійснюється без належного обґрунтування діагностичними даними про технічний стан колії і динаміки її змін, відсутні можливості для її оптимізації; технологічні процеси ремонту колій характеризуються низькими показниками продуктивності і значними працезатратами; парк машин у більшості випадків не відповідає функціональному призначенню, обмежений і гранично зношений; оперативне керування організацією ремонту недостатньо ефективне, зумовлює значну тривалість його виконання і кількість "вікон"; ланка керування СТУ залізничних колій недостатньо ефективно виконує головне завдання, - формування і реалізацію плану ремонтно-колійних робіт.

З проблем удосконалення і розвитку колійного господарства промислового залізничного транспорту виконаний досить великий обсяг досліджень. Питанням теоретичного обґрунтування і створення конструкції верхньої будови колії, а також нормативів його змісту присвячені праці докт. техн. наук, проф. В.Ф. Яковлєва, К.Д. Бєлих, Е.І. Даниленка, Е.П. Дудкіна, Н.С. Нікерова, канд. техн. наук М.Ю. Козловського, Л.А. Андреєвої, Н.І. Караганової, Б.А. Євдокимова, А.Н. Конакова, А.Н. Перцева, А.В. Глазова, А.І. Матанцева, інженерів Г.П. Мокрушина, М.А. Марфіна та ін. Дослідженню і розробці питань удосконалення СТУ залізничних колій присвятили свої роботи докт. техн. наук В.Ф. Яковлєв, канд. техн. наук Ю.В. Гусєв, Н.І. Тихомиров, Н.В. Гнєнний, Б.К. Путятін, І.П. Ляховицький, Ю.Ф. Долгов, інженери І.П. Нетусов, М.В. Туловський та ін., а також іноземні вчені H. Baluch, J.Eisemmann, K. Eswald та ін. Методологія аналізу складних технічних систем стосовно до проблем транспорту одержала розвиток у працях: докт. техн. наук, проф. В.К. Губенка, Г.І. Нечаєва, В.М. Бубнова, В.І. Тихомирова та ін.

Аналіз показав, що в дослідженнях з удосконалення СТУ залізничних колій відсутній системний підхід. Вони не охоплюють все коло завдань, а пов'язані з вирішенням окремих питань. Практично не розроблені методи і моделі діагностики колії, оптимізації плану ремонту колії, оперативного керування організацією їх виконання, теоретичні питання механізації колійних робіт, відсутня концепція створення АСУ колійного господарства, як ефективного інструмента керування.

Таким чином, на даному етапі, стосовно до умов промислового транспорту виникає важлива й актуальна науково-технічна проблема підвищення ефективності СТУ і забезпечення готовності залізничних колій за мінімальної витрати ресурсів.

На магістральних залізницях розробка проблем, пов'язаних з удосконаленням системи ведення колійного господарства, проводиться з метою забезпечення стабільності колії при скороченні вкладених коштів, підвищення їх ефективності і характеризуються системним підходом, застосуванням нових ресурсозберігаючих технологій і широким використанням сучасних ЕОМ. Автоматизація в сфері керування утриманням залізничної колії реалізується на основі загальної концепції забезпечення його готовності при мінімальних витратах і поєднує функціональні підсистеми: моніторингу і діагностики колії з використанням колієвимірювальних вагонів, прогнозування, планування колійних робіт, а також керування організацією їх виконання. Для магістральних колій характерна також комплексна механізація колійних робіт.

Аналіз показує, що концепція удосконалення системи ведення колійного господарства, реалізована на магістральному транспорті узгоджується з аналогічною проблемою промислових залізниць і її принципові положення доцільно використовувати. Разом з цим варто враховувати, що залізничні колії підприємств характеризуються істотними особливостями, оскільки виконують у виробничо-транспортних системах не тільки транспортні, але й технологічні функції, забезпечуючи взаємодію виробничих агрегатів і транспорту. Різне функціональне призначення залізничних колій визначає розходження умов експлуатації, конструкції верхньої будівлі, характеру його роботи, виду розладів і вимагає проведення адекватних відновлюючих заходів, із застосуванням різних технологічних процесів і колійної техніки.

На основі проведеного аналізу встановлено, що подолання протиріч між існуючим станом СТУ залізничних колій підприємств і необхідним рівнем її удосконалення вимагає застосування системного підходу з дослідженням і розробкою методів, моделей та алгоритмів оптимізації технічних, технологічних, організаційних функцій, ефективного системного керування.

У загальному вигляді постановка наукового завдання записується в такий спосіб:

<Є | {сукупність об'єктів колійної схеми {А} у процесі свого функціонування {У} і комплекс заходів для запобігання руйнування колії {Х} утворять технологічну систему {S}. Умови вибору технологічного впливу визначаються з аналізу роботи залізничної колії, її експлуатаційно-технічних показників, стану і динаміки зростання несправностей; забезпеченості ресурсами.

Правилом вибору оптимальної стратегії протидії руйнування колії є розробка на основі моделей, критеріїв, функцій і рівнянь-нововведень на стадії планування {Р} і виконання робіт {М}.

Необхідно | {здійснити вибір параметрів системних характеристик, що забезпечують підтримку технічного стану залізничних колій в межах нормативів при найменших витратах ресурсів.}>

Для формалізації завдання запропонована технологічна система {S}, що охоплює безліч об'єктів колійної схеми {А}, безліч функціональних процесів {У} і безліч керуючих впливів (I). Із системотехнічних позицій розглянута система здатна функціонувати, оскільки має усі властивості, що характеризують систему.

На основі сформульованих вище умов і обмежень необхідно знайти такі рішення х, що належать області рішень Х, що для блоків р (планування робіт) і т (реалізація плану), що складають технологічну версію Vi, забезпечують експлуатаційний рівень технічного стану колії (), що відповідає рівню нормативних вимог (), при мінімальних витратах.

Узагальнений формалізований запис наукової задачі підвищення ефективності СТУ залізничних колій буде мати вид

знайти для усіх при |

(1)

Відповідно до вищевикладеного СТУ залізничних колій, як об'єкт дослідження, віднесена до системотехнічних комплексів, а проблема її удосконалення - до слабко структуризованих. Для вирішення проблеми здійснена її структуризація із застосуванням методології системного аналізу. Модель взаємодії СТУ залізничних колій із ВТС, і її елементами "ПК" і "ТК", а також із системоутворюючим блоком "Залізнична колія" на макрорівні представлена у вигляді принципової структурної схеми суперсистеми (мал. 1). На основі аналізу структурних властивостей моделі визначене загальне завдання, встановлені закономірності і наведені аналітичні залежності для визначення вихідних показників виробничого і транспортного комплекс ів.

Для аналізу СТУ залізничних колій на мікрорівні зроблено декомпозиція загального завдання на взаємозалежні підзавдання, що відбивають реальний процес функціонування СТУ залізничних колій, запропоновані шляхи й обґрунтовані методи їх рішення та здійснений синтез прийнятих рішень.

Набір кількісно вимірюваних показників зведений до показника, що характеризує виконання у встановлений термін запланованого комплексу робіт з підтримки залізничних колій у технічно справному стані, що забезпечує безперебійне функціонування ВТС підприємства, а як критерій прийнятий мінімум витрат.

Рис. 1. Принципова схема взаємодії СТУ залізничних колій із ВТС, ВК і ТК і з блоком "Залізнична колія".

Таким чином, в основу рішення наукової задачі прийнята оптимізаційна модель перебування такого показника функціонування СТУ залізничних колій, у якого критерієм ефективності є мінімум витрат (z), що включають витрати на підтримку технічного стану рейкових колій на рівні нормативних вимог (Спр), виробничі витрати в ВТС підприємства (Свв), а також витрати на керування (Ск). Цільова функція моделі приймає такий вигляд

(2)

при обмеженнях: , ,

, ,

, ,

, ,

де P - фактичний стан залізничної колії Р=(Р1,Р2,...Рп); Pi - величина i-го параметра технічного стану залізничних колій; ai і bi - мінімальна і максимальна межі i-го параметра колії; W - ресурси, затрачувані на утримання і ремонт залізничних колій W=(W1,W2,...Wm); Wj - величина j-го ресурсу; Dj - наявність j-го ресурсу; V - обсяги колійних робіт V=(V1,V2,...Vg); Vg - обсяг g-го виду робіт; Км - машинізація колійних робіт К=(Км1,Км2,...Кмg); Кg - ступінь машинізації g-ої роботи; Кг - коефіцієнт готовності залізничної колії; - нормативний коефіцієнт готовності залізничних колій.

На підставі виконаного аналізу сформульовані завдання дисертаційної роботи, вирішенням яких досягається поставлена мета. Структурна схема проведення дослідження наведена на мал. 2.

Мал. 2. Структурна схема проведення дослідження

У другому розділі наведені результати експериментальних і теоретичних досліджень закономірностей руйнування залізничних колій підприємств і розроблені методи, моделі й алгоритми керуючих впливів щодо відновлення колій.

З метою встановлення переліку й обсягу основних робіт, виконуваних з усунення несправностей, проведені експериментальні дослідження зміни функціональних властивостей залізничних колій за ремонтний цикл.

За результатами досліджень установлені залежності термінів служби рейок і шпал, а також річних обсягів робіт з відновлення несправностей геометричних параметрів колії від вантажонапруженості, осьового навантаження рухливого поїзду, конструкції верхньої будівлі, плану і профілю колії. З цією метою в дисертації встановлений ряд коефіцієнтів, що дозволили більш повно врахувати особливості роботи залізничних колій при впливі різних факторів. Для уточнення терміну служби рейок, запропоновані коефіцієнти, що враховують кривизну колії, особливо роботу упорної нитки (kкр), фактори впливу рухомого складу (kрс) та ін. Річний обсяг заміни дерев'яних шпал, визначений для випадку, коли зношені шпали заміняються старопригодними, для чого введений поправочний коефіцієнт (k). Річний обсяг робіт з виправлення колії в профілі і плані, перешиванні рейкової колії і регулюванню зазорів, установлений з урахуванням впливу підвищеного осьового навантаження, ухилів трас і кривизни колії (kq , ki , kr). Отримані розрахункові формули дозволяють моделювати їх на повний ремонтний цикл для дискретних умов експлуатації.

Періодичність виконання капітального ремонту колій з дерев'яними (Ркд) і залізобетонними (Ркз) шпалами для різних експлуатаційних умов, за середнім значенням терміну служби елементів колій в роках, виражена такими залежностями

, (3)

, (4)

де tшп., tз ,tp - середній термін служби дерев'яних і залізобетонних шпал і рейок по зношенню (у кривій, по упорній нитці), років; k - кількість суцільних замін рейок.

Моделювання на ЕОМ періодичності капітального ремонту, показало задовільну збіжність з фактичними періодами ремонтних циклів. Запропонована модель дозволяє одержати більш точне, порівняно з нормативами, значення періодичності капітального ремонту для дискретних умов експлуатації залізничних колій (рівень збіжності 0,95-0,97), а середні розрахункові значення періодичності капітального ремонту, не мають істотного розходження з нормативними (рівень збіжності 0,9-0,94).

Встановлено, що доповнення структури ремонтної схеми залізничних колій планово-попереджувальними роботами поточного утримання являє собою оптимізаційне завдання, а цільова функція моделі ремонтної схеми може бути представлена у вигляді

, (5)

де Сj - загальні витрати на реалізацію j-ої функції ремонтної схеми, що забезпечує заданий технічний рівень залізничних колій.

У період між капітальними ремонтами поточне утримання здійснюється за рахунок виконання ППР, або вибірково, з виконанням невідкладних робіт, у зв'язку з чим витрати на нього формуються в залежності від прийнятого способу робіт. Для оптимізації ремонтної схеми залізничних колій використовується методологія динамічного програмування з застосуванням принципу крокової оптимізації Р. Беллмана. Функціональне рівняння методу динамічного програмування має вигляд

, (6)

де Wi(S) - умовний оптимальний виграш, одержуваний на всіх попередніх кроках, починаючи з i-го і до кінця; wi(sivi) - виграш на даному i-му кроці в залежності від стану системи S і застосованого керування vi; Wi+1 - виграш на всіх наступних кроках, починаючи з i+1-го, обумовлений для нового стану системи S=цi(sivi).

Отже, багатокроковий процес містить дві ознаки: цільову функцію (W), - витрати на поточне утримання, яке необхідно мінімізувати, і елемент керування (V), - тобто рішення про вибір виду робіт.

Оптимізація витрат виконувалась з розбивкою міжремонтного періоду на k-частин-кроків, рівному одному року. Для кожного року (t) розраховувався обсяг робіт (Vi). Сумарні річні обсяги робіт на п-й рік після капітального ремонту розраховувались також для випадків, коли в попередні т-років виконувались вибіркові роботи:

(7)

де р - коефіцієнт, що враховує виконані роботи в попередні роки.

Загальна вартість робіт за ремонтний період підсумовувалась за роками і вибирався варіант із мінімальною загальною вартістю експлуатації залізничних колій. Запропонований метод реалізований на основі формування системи функціональних рівнянь для визначення загальних витрат за варіантами ремонтних схем і крокової оптимізації, починаючи з останнього року експлуатації. Загальні функціональні рівняння для i-го року експлуатації колій представлені виразами

(8)

(9)

де См, Ср - питома вартість робіт відповідно за різних способів виконання; q - частка невідкладних робіт; i - кількість років після капітального ремонту.

Результати розрахунків на ЕОМ показали, що доповнення структури ремонтів роботами поточного утримання і збільшення їх обсягу дозволяє планувати колійні роботи в єдиному комплексі, більшою мірою враховувати фактичний стан залізничних колій, раціональніше використовувати наявні ресурси. За рахунок цього, забезпечується збільшення тривалості міжремонтного циклу і скорочення загальних витрат на технічне утримання колії. У зв'язку з зазначеним, набуває важливого значення вирішення питань машинізації поточного утримання залізничних колій.

Третій розділ присвячений розробці моделей і алгоритмів обґрунтування технологічних параметрів комплексної механізації колійних робіт. Рішення проблеми основане на таких принципах: як основний технологічний параметр процесу ремонту залізничних колій підприємств прийнятий розрахунковий темп робіт (Пр), величина якого визначається вихідними технологічними показниками виробничого і транспортного комплексів за умови їх надійного функціонування; ремонт колії виконується провідною машиною з комплектом ремонтних машин на основі їх технологічної взаємоув'язки з темпом роботи провідної машини (Пвід), а вироблення комплекту повинне забезпечувати реалізацію розрахункового темпу робіт.

Аналіз вихідних технологічних показників ВТС, а також експлуатаційно-технічних показників залізничних колій різного призначення показав, що величину розрахункового темпу робіт варто приймати виходячи з експлуатаційної довжини залізничних колій (Lед) і відповідної їй реальної довжини фронту ремонтних робіт (Lфр), при Lфр=0,75ч0,9 Lед, а також тривалості перерв у русі потягів - "вікон" (Тв), що мають місце при проведенні ремонту, у необхідних випадках з урахуванням їх сполучення з ремонтом виробничих агрегатів. Фактичні значення розглянутих показників отримані на основі статистичних даних. Середні значення довжини фронту робіт і тривалості "вікна" встановлені за статистичними характеристиками і склали: для перегінних колій 560 м і 8 г, і технологічних колій 160 м і 6 г.

Дослідження параметрів технологічного процесу ремонту залізничних колій включало послідовне обґрунтування розрахункового темпу робіт (Пр), продуктивності провідної машини (Пвід) і виготовлення комплекту машин (Пком). Розрахунковий темп ремонтно-колійних робіт, що відповідає виробничим вимогам, у загальному вигляді може бути представлений вираженням

, м/годину (10)

Для визначення (Пр) величина показників (Lфр) і (Тв), установлена з урахуванням усього діапазону їх значень методом нечітких безлічей. На основі отриманих даних розрахунковий темп робіт склав 67,5-75 м/г і, усереднений для різних експлуатаційних умов, прийнятий у розмірі Пр=70 м/годину.

Для обґрунтування продуктивності провідної машини і виготовлення комплекту машин, в основу технологічного процесу прийняті потоковий спосіб та індустріальний метод капітального ремонту залізничних колій. При використанні комплекту машин, потоковий спосіб вимагає витрат частини часу "вікна", а також додаткових ділянок колії на розгортання і згортання робіт, а застосування індустріального методу пов'язано зі створенням на підприємствах колійних ремонтних баз (КРБ). Тому виникла необхідність обґрунтувати технологічну можливість його використання на коліях різного призначення відповідно до довжини фронту робіт (Lфр), а також дати техніко-економічну оцінку доцільності створення баз.

При ремонті колії провідна машина виконує найбільш складну операцію по заміні рейкових ланок, що визначає темп виконання ремонтних робіт. При потоковому способі ремонту продуктивність провідної машини виражається такою залежністю

, м/година (11)

де tр і tзг - час на розгортання і згортання робіт, хв.

Перетворення у формулі (11) виконані з урахуванням того, що вираження Тв-(tр+tзг) являє собою тривалість провідної операції (tвід), що визначається для конкретної провідної машини по тривалості циклу укладання рейкової ланки () і його довжині (lл)

, хв (12)

На підприємствах як провідну машину капітального ремонту застосовують стрілові залізничні крани вантажопідйомністю 25-80 т. При їх використанні фактичні значення () отримані за результатами експериментальних досліджень. Середні значення циклового часу (), прийняті за статистичними характеристиками, склали для колій перегонів 7,3 хв, для технологічних - 14,7 хв, а відповідна цим значенням технічна продуктивність крана на укладанні колії, - 102 м/г і 51 м/г.

Вироблення комплекту машин у "вікно" є результуючим показником технологічного процесу, що оцінюється на відповідність розрахунковому темпу робіт. Уточнена математична модель вироблення комплекту машин у "вікно" має вигляд

, м/годину (13)

У моделі (16) час розгортання і згортання визначається за формулою

, хв (14)

а ділянки розгортання і згортання (lр(зг)) за вираженням

, м (15)

де Пi- продуктивність i-ої комплектуючої машини, м/годину; - ділянка колії, зайнята машиною і бригадою робітників на i-ой операції, м; ri - коефіцієнт, що визначає довжину поїзду на i-ой операції; ?li - технологічний розрив перед i-ою операцією, м; б- коефіцієнт, що враховує витрати часу на технологічні перерви.

При виконанні ремонту залізничних колій в умовах підприємств довжина комплекту машин у роботі (Lкр) повинна порівнюватися з довжиною фронту робіт (Lфр), тобто повинна витримуватись умова .

Показники традиційної технології капітального ремонту колії потоковим способом із застосуванням існуючого комплекту машин, визначені методом імітаційного моделювання на ЕОМ. Воно передбачало визначення вироблення комплекту машин (Пком) при виконанні робіт на довжині фронту (Lфр) і варіюванні величини циклового часу на укладанні колії (). За критерій прийнята умова Пком=Пр. За результатами досліджень установлено, що фактичне виготовлення комплекту машин у 1,3 (колії перегонів) і 1,9 (технологічні) рази нижче за розрахунковий темп робіт, що пов'язано з низькою продуктивністю провідної машини. Встановлено також, що по довжині комплекту машин застосування потокової технології можливо тільки на коліях перегонів і коліях станцій.

Для технологічних колій, що мають обмежену довжину і тупикову схему, розроблена поточно-роздільна технологія ремонту. Вона передбачає поділ процесу ремонту на кілька груп операцій, що виконуються мінімальним числом машин, у заданій технологічній послідовності, але з