Українська державна академія залізничного транспорту

Фалендиш Анатолій Петрович

УДК 629.421.4.001.3

Розвиток наукових основ визначення характеристик перспективних маневрових тепловозів

Спеціальність 05.22.07 - рухомий склад залізниць та тяга поїздів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків - 2006

Дисертація є рукопис

Робота виконана на кафедрі „Експлуатація та ремонт рухомого складу” Української державної академії залізничного транспорту Міністерства транспорту та зв’язку України

Науковий консультант доктор технічних наук, професор

Тартаковський Едуард Давидович,

Українська державна академія залізничного транспорту, кафедра “Експлуатація та ремонт рухомого складу”, завідувач кафедри

Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор

Ткаченко Віктор Петрович,

Східноукраїнський національний університет
ім. В. Даля, кафедра “Нарисна геометрія і графіка”, завідувач кафедри

Доктор технічних наук, професор

Головко Владислав Федорович,

Українська державна академія залізничного транспорту, кафедра „Вагони”, завідувач кафедри

Доктор технічних наук, професор

Маслієв В’ячеслав Георгійович,

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, кафедра “Електричний транспорт та тепловозобудування”, професор

Провідна установа Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені В. Лазаряна, кафедра "Локомотиви", Міністерство освіти і науки України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться " 28 " квітня 2006 р. о 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .820.04 Української державної академії залізничного транспорту за адресою: 61050, м. Харків, майдан Фейєрбаха, 7 ауд. .301

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Української державної академії залізничного транспорту за адресою: 61050, м. Харків, майдан Фейєрбаха, 7

Автореферат розісланий " 27 " березня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Бойнік А.Б.

Вступ

В теперішній час, згідно із статистичними даними, на залізницях України маневрова і маневрово-вивізна робота здійснюється парком тепловозів в основному (98%) чеського виробництва, з них маневрові тепловози ЧМЕ3 займають більше 83%. Згідно з прогнозними планами Укрзалізниці, парк маневрових тепловозів уже в 2007 році буде складати менше 1000 локомотивів, що більше ніж в 2 рази менше в порівнянні з 1994 роком. При цьому моніторинг обсягів маневрових робіт показує їх можливе збільшення.

Маневрові тепловози масово закуповувались в період з 1970 по 1987 роки, а в даний момент вони в основному виробили свій ресурс, що викликає необхідність поповнення парку. Входження України в Європейську спільноту держав та досвід розвинутих країн показує, що характеристики нових тепловозів повинні бути раціональними не тільки для умов вітчизняних залізниць, а й відповідати світовим стандартам. При цьому такі локомотиви найбільш доцільно мати вітчизняного виробництва.

Актуальність теми дисертації

Для нашої держави, в якій виконується великий і різноманітний обсяг перевезень, доцільно було б мати типажний ряд локомотивів. На це вказує те, що маневрова робота більш ніж на 50% станцій має невеликі обсяги, тому використання локомотивів середньої потужності серії ЧМЕ3 та великої потужності – ЧМЕ5 є економічно недоцільним. Створення маневрового тепловоза малої потужності викликає великий науково-практичний інтерес, так як він може ефективно використовуватись і на промисловому транспорті.

В Україні виробництво маневрових тепловозів до 1984 року було налагоджено на луганському заводі „Луганськтепловоз” та на харківському „Заводі ім. Малишева”. В теперішній час розробляється для потреб залізниць новий типажний ряд маневрових тепловозів, який потребує наукового і практичного обґрунтування його характеристик.

Одним із етапів вирішення даної проблеми є визначення характеристик перспективних маневрових тепловозів, які дозволили б отримати локомотив з найменшою лімітною ціною, конкурентоспроможний, з світовим технічним рівнем та раціональною системою експлуатації технічного обслуговування та ремонту (ЕТОР). Для цього необхідно науково обґрунтувати нову концепцію створення маневрових тепловозів, яка б в комплексі враховувала динаміку зміни характеристик на протязі всього життєвого циклу. При цьому повністю повинен бути врахований ланцюжок від створення локомотива, систем сервісного обслуговування до взаємовідносин заводу-виробника та замовника при їх взаємодії та модульності принципу проектування. При цьому необхідно визначити типи передачі потужності, типи дизелів, кількість осей. Це є науково-прикладною проблемою, якій раніше в Україні приділялось недостатньо уваги. Тому тема дисертації, яка націлена на визначення основних характеристик маневрових тепловозів на протязі всього життєвого циклу, є актуальною науковою проблемою. Вона підтверджується Державною програмою "Розвиток рейкового рухомого складу соціального призначення для залізничного транспорту та міського господарства", введеною в дію Постановою Кабінету Міністрів України від 2 червня 1998 р. №769.

Зв’язок роботи з науковими програмами

Робота виконана згідно з вказаною вище Державною програмою, науково-технічною програмою “Розвиток відомчого залізничного транспорту для забезпечення вантажних перевезень на підприємствах України (Наказ Міністерства промислової політики України від 13.12.2004 р. №667) та „Концепцією та програмою реструктуризації на залізничному транспорті України”.

Наукові результати дисертаційної роботи отримані при виконанні планів таких держбюджетних науково-дослідних робіт: „Прогнозування характеристик маневрових, магістральних тепловозів та дизель-поїздів з урахуванням життєвого циклу” (ДР U000899) та науково-дослідних робіт „Вибір, обґрунтування та видача пропозицій по основним параметрам маневрового тепловозу потужністю 800 к.с.” (ДР U000031, архів № U006106), „Розробка техніко-економічного обґрунтування, експертиза нормативно-технічної документації по маневровому тепловозу та участь у випробуваннях” (ДР U000018, архів № U001125), „Методичні вказівки з підготовки і проведення приймальних випробувань тягового рухомого складу та його складових” (ДР U007601, архів № U000183), „Вибір оптимальних параметрів перспективних типів магістральних, маневрових тепловозів та моторвагонного рухомого складу” (ДР U003178, архів № U006105), "Наукове обґрунтування нової системи сервісного обслуговування та ремонту дизель- та електропоїздів за участю локомотивобудівельної промисловості” (ДР U013377, архів № U004594), “Тимчасове положення про обслуговування та ремонт нового наукоємного тягового рухомого складу” (ДР U000893).

Мета і задачі дослідження

Метою роботи є вирішення науково-прикладної проблеми – розвиток наукових основ визначення характеристик перспективних маневрових тепловозів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- розробити концепцію створення перспективних маневрових тепловозів з електричною передачею з урахуванням всього життєвого циклу, системи ЕТОР і світового технічного рівня;

- розглянути еволюцію розвитку маневрових тепловозів у відповідності до їх характеристик;

- зробити аналіз визначення характеристик та методів оцінки технічного

рівня рухомого складу та розробити моделі прогнозування характеристик маневрових тепловозів з метою визначення типажу маневрових тепловозів для умов експлуатації на залізницях України;

- отримати залежності характеристик технічного рівня і потужності для визначення їх раціональних значень для перспективних маневрових тепловозів з електричною передачею;

- розробити новий метод оцінки технічного рівня маневрових тепловозів з електричною передачею та їх підсистем;

- науково обґрунтувати раціональний технічний рівень та основні типи модулів та вузлів маневрового тепловоза на основі сучасних вимог;

- розробити наукові підходи до визначення надійності маневрових тепловозів з використанням математичних моделей;

- запропонувати систему критеріїв для оцінки пристосованості маневрових тепловозів до експлуатації;

- науково обґрунтувати вибір системи експлуатації, обслуговування та ремонту нових маневрових тепловозів на етапі проектування для забезпечення стабільності характеристик локомотивів на протязі всього життєвого циклу;

- розробити модель оновлення парку маневрових тепловозів, які виробили свій ресурс.

Об’єкт дослідження – маневровий тепловоз з електричною передачею.

Предмет дослідження – характеристики маневрового тепловоза з електричною передачею.

Методи дослідження. Виконані в дисертаційній роботі дослідження ґрунтуються на теорії ймовірності і математичній статистиці, математичному аналізі, теорії масового обслуговування, теорії математичного та імітаційного моделювання, теорії надійності, теорії систем і системному підході, а також на чисельних методах розрахунків на ЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів

Вирішена науково-прикладна проблема визначення характеристик маневрових тепловозів з електричною передачею, яка враховує наукове обґрунтування життєвого циклу, вплив переходу на нові системи ЕТОР, адаптацію до регіону експлуатації, що дозволить значно скоротити експлуатаційні витрати.

Вперше:

- створено концепцію, що узагальнює визначення науково - обґрунтованих характеристик і розвиває принципи побудови маневрових тепловозів з урахуванням умов експлуатації, світового технічного рівня, системи обслуговування та ремонту, зниження витрат за весь життєвий цикл, модульного підходу їх компонування та особливостей промисловості і залізниць України;

- розроблено комплекс моделей визначення характеристик маневрових локомотивів на основі стохастичного програмування з урахуванням життєвого циклу;

- розроблено метод оцінки технічного рівня маневрових тепловозів та його складових на основі системного аналізу;

- отримані залежності показників маневрових тепловозів з електричною передачею від потужності, вартості життєвого циклу, років експлуатації, технічного рівня;

- сформовано критерії оцінки пристосованості маневрових тепловозів до різних умов експлуатації.

Дістали подальшого розвитку:

- імітаційна модель визначення раціональних термінів оновлення парку маневрових тепловозів;

- моделі прогнозування характеристик маневрових тепловозів з електричною передачею на основі нейромереж;

- стратегія вибору модулів локомотивів з використанням морфологічного аналізу;

- метод визначення вартості життєвого циклу, який, на відміну від існуючих, враховує технічний рівень маневрових тепловозів;

- удосконалено методи визначення надійності маневрових тепловозів на етапі проектування імовірнісної моделі із застосуванням напівмарковських процесів.

Практичне значення одержаних результатів

Результати роботи впроваджено:

- у ВАТ ХК „Луганськтепловоз” при розробленні та впровадженні вітчизняних маневрових тепловозів типу ТЕМ-103 та ТЕМ104;

- у Державному науково-дослідному центрі залізничного транспорту України при прогнозуванні типажу нового ТРС;

- у Державній адміністрації залізничного транспорту України при узгодженні типажу ТРС та методів їх випробувань;

- у навчальний процес підготовки спеціалістів і магістрів Української

державної академії залізничного транспорту та Інституту перепідготовки та підвищення кваліфікації,

і вони включають до себе:

- інформаційну систему оцінки технічного рівня маневрових тепловозів з відповідними пакетами прикладних програм, яка дозволяє розраховувати технічний рівень будь-якого маневрового тепловоза і в подальшому використовувати ці дані для визначення системи ЕТОР, доцільності закупівлі та використання локомотива у вибраному регіоні експлуатації;

- пакет прикладних програм на основі моделі прогнозування техніко-економічних параметрів маневрових тепловозів за їх питомими характеристиками;

- моделі визначення надійності маневрового тепловоза;

- адаптивну модель визначення системи експлуатації, технічного обслуговування та ремонту маневрових тепловозів;

- моделі техніко-економічних розрахунків маневрових тепловозів.

Практичне впровадження результатів роботи підтверджується відповідними актами та матеріалами впровадження.

Особистий внесок здобувача

У працях, які написані у співавторстві дисертанту належить:

[11, 13, 27, 28, 30, 32, 36] – розроблення моделей та програм розрахунку показників надійності рухомого складу та його складових;

[4, 5, 9, 14, 20, 31] – розроблення моделей та розрахунки показників економічної ефективності від використання маневрових локомотивів та його складових;

[3, 18] –розрахунки вартості життєвого циклу маневрових тепловозів;

[29, 38] – зроблений аналіз можливості використання маневрових тепловозів в приміському русі;

[19, 37] – розроблення методів, моделей та програм розрахунку технічного рівня тягового рухомого складу та його складових;

[2, 41] – визначення алгоритму випробувань рухомого складу та його складових;

[8, 10, 22, 43] – визначення параметрів системи обслуговування для перспективних маневрових локомотивів;

[23, 25, 39, 40, 42] – розроблення моделей, програм розрахунку та отримання залежностей основних характеристик для маневрових тепловозів.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали і результати дисертаційної роботи доповідалися й отримали схвалення на 17 міжнародних та 3 галузевих науково-технічних конференціях:

- Х-й міжнародній конференції „Проблеми механіки залізничного транспорту: Динаміка, надійність і безпека рухмого складу” (Україна, м. Дніпропетровськ, 2000 р.);

- IV-й науково-технічній конференції „Ресурсозберігаючі технології на залізничному транспорті” (Росія, м. Москва, 2001 р.);

- ІІІ-й міжнародній науково-практичній конференції „Актуальні проблеми розвитку транспортних систем і будівельного комплексу” (Білорусія, м. Гомель, 2001 р.);

- ХІІІ, ХІV, ХV міжнародних науково-технічних конференціях “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (Україна, Крим, 2003 - 2005 рр.);

- VII-й міжнародній науково-практичній конференції “Наука і освіта 2004” (Україна, м. Дніпропетровськ, 2004 р.);

- 61 - 67 міжнародних науково-технічних конференціях кафедр Української державної академії залізничного транспорту та спеціалістів залізничного транспорту і підприємств (м. Харків, 1998 – 2005 рр.);

- міжнародному форумі SEC 2005 “Cooperation of Technical Universities of the Middle and Eastern European countries in the VI and VII Framework Programmer for the scientific and education project realization” (Poland, Katowice, 2005);

- Міжнародній науково-практичній конференції “Наука в транспортному вимірі” (Україна, м. Київ, 2005 р.);

- 18-й міжнародній науково-практичній конференції “Перспективні системи управління на залізничному транспорті, промисловому і міському господарстві” (Україна, Крим, м. Алушта, 2005 р.);

- другій та третій науково-практичних конференціях “Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: Техніка, технологія, економіка і управління” (Україна, м. Київ, 2004, 2005 р.);

- І-й науково-практичній конференції “Впровадження наукоємних технологій на магістральному і промисловому залізничному транспорті” (Україна, Крим, Алушта, 2005 р.).

Основні положення дисертації доповідались на засіданнях кафедри з 2001 по 2004 рр., а повністю дисертація доповідалась на розширеному засіданні кафедри ЕРРС УкрДАЗТ з участю членів спеціалізованої вченої ради (2005 р.).

Публікації. Основні результати дослідження опубліковані в 43 наукових працях. З них 28 статей у виданнях, які затверджені ВАК України як фахові, а також в 15 додаткових працях. 13 праць опубліковано без співавторів.

Структура роботи. Дисертаційна робота має вступ, шість розділів, висновки, список використаної літератури та додатки. Повний обсяг дисертації складає 373 сторінки, в тому числі 267 сторінок основного тексту, 28 таблиць, 40 рисунків, список використаної літератури включає 291 найменування на 32 сторінках, 7 додатків на 51 сторінці.

Основний зміст роботи

У вступі подана загальна характеристика роботи, доведена її актуальність і зв’язок з науковими програмами та темами, сформульована мета роботи, визначені її наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі зроблений аналіз робіт по визначенню характеристик маневрових локомотивів, оцінці їх технічного рівня і методів розрахунку.

Входження України до світового співтовариства з ринковими відносинами, проведення реструктуризації локомотивного господарства викликає необхідність методичного і наукового обґрунтування використання існуючого парку маневрових тепловозів, їх модернізації, а також доцільності створення нового рухомого складу. Питанням визначення показників локомотивів, оцінці їх технічного рівня приділяється багато уваги. Фундаментальні дослідження в цьому напрямку виконувались і виконуються як в наукових організаціях, особливо таких, як ВНДІЗТі, ВЗДІТі, МІІТі, ЛІІЗТі, ОмІІТі, РІІЗТі, СамІІЗТі, ДІІТі, СНУ ім. В.Даля, НТУ “ХПІ”, КУЕТТі, ХІІТі, та ін., так і на виробничих підприємствах ВАТ ХК “Луганськтепловоз”, ВО “Завод ім. Малишева”, ДЕВЗ, Брянському ТБЗ (Росія), Коломенському ТБЗ (Росія) та ін. Дані роботи виконувались під керівництвом таких вчених, як Басов Г.Г., Боднар Б.Є., Босов А.А., Блохін Є.П., Браташ В.О., Володін О.І., Гетьман Г.К., Голубенко О.Л., Головко В.Ф., Дьомін Ю.В., Кельрих М.Б., Коссов Є.Є., Кудряш А.П., Кузнєцов Т.Ф., Маслієв В.Г., Міщенко К.П., Осенін Ю.І., Тартаковський Е.Д., Ткаченко В.П., Четвергов В.А. та інших.

Аналіз понад 140 серій маневрових тепловозів, які експлуатуються у світі, показав, що в невеликих країнах використовуються тепловози з одним типом передач. Так, в Боснії, Хорватії, Греції, Фінляндії використовуються тепловози з гідропередачею, а в Іспанії, Албанії, Болгарії з електричною передачею. В розвинутих країнах, таких, як Германія, в маневровій роботі використовуються тепловози як з гідравлічною, так і з електричною передачами. За роками випуску в Європі знаходяться локомотиви ще 1940-1950 років побудови. Новий рухомий склад закупається в основному партіями по 10-50 одиниць однієї серії, що з економічної точки зору більш доцільно.

Аналіз еволюції розвитку маневрових локомотивів показав збільшення сили тяги, як при зрушенні, так і тривалої, за рахунок використання передач змінного струму з асинхронними тяговими двигунами, використання модульної системи компонування.

Проблемі вибору раціонального ряду потужностей ТРС на протязі всього його розвитку приділяється багато уваги. Найбільш важливі результати у визначенні раціональних рядів локомотивів отримані під керівництвом таких відомих вчених, як Браташ В.О., Басов Г.Г., Гетьман Г.К., Гривнак А.Я., Міщенко К.П. та ін. Аналіз типажу рухомого складу залізниць показав, що в основному існує два підходи до його вибору. Компанії-виробники рухомого складу, як правило, виконують групування за видами рухомого складу і за осьовою формулою, намагаючись розробити конкурентоспроможну одиницю рухомого складу. Компанії, які займаються перевезеннями, виконують групування рухомого складу за такими критеріями: за потужністю; за видами роботи локомотивів; за видом струму; за видом пасажирських перевезень; за кількістю секцій в локомотиві; за кількістю кабін керування та ін. Для визначення кількості груп типажу використовують в основному два методи: методи відношення Парето і експертні методи.

Однією із сторін якості локомотива є його технічний рівень. Аналіз різноманітних методів визначення технічного рівня транспортних засобів, а також проведений аналіз літературних джерел показав, що до теперішнього часу оцінці технічного рівня маневрових тепловозів приділяється недостатньо уваги. Підтвердженням цьому є і кількість праць, присвячених визначенню технічного рівня маневрових тепловозів, яка значно менша, ніж щодо визначення рівня інших транспортних засобів. У зв’язку з цим доцільно розробити методи оцінки технічного рівня маневрових тепловозів, які врахували б мету дослідження, а також більш глибоко технічну їх сторону.

Аналіз визначення характеристик рухомого складу показав, що вихідними даними для розрахунків маневрових локомотивів є або обсяги маневрових робіт, або дані по гірці. Але при цьому не враховується стохастичний характер багатьох його характеристик на протязі всього життєвого циклу, відповідність їх світовому рівню, система ЕТОР, вартість їх життєвого циклу та інші чинники.

Згідно з вищевикладеним, в першому розділі сформульовані мета і задачі дисертації.

Другий розділ присвячений розробленню наукових основ визначення характеристик маневрових тепловозів для залізниць України. В ньому розроблені моделі розрахунку та прогнозування техніко-економічних характеристик маневрових тепловозів з електричною передачею.

На основі результатів аналізу зарубіжних та вітчизняних праць, заходів по проектуванню та виготовленню нового рухомого складу була розроблена концепція створення перспективних маневрових тепловозів для залізниць України. Вона полягає в тому, що створення маневрових локомотивів необхідно виконувати на основі визначення характеристик з урахуванням умов експлуатації, світового технічного рівня, системи обслуговування та ремонту на протязі всього життєвого циклу, модульного принципу їх побудови і особливостей промисловості та залізниць України. Відмінністю її є те, що в існуючих концепціях створення відбувається на основі вітчизняного обладнання під існуючу систему обслуговування та ремонту, а звідси уже і виконувалось визначення характеристик. Послідовність реалізації запропонованої концепції підрозділяється на два етапи. На першому - визначаються характеристики перспективного типажу маневрових тепловозів. Для цього виконуються та визначаються:

1. Збір даних по маневровим тепловозам виробництва різних компаній.

2. Метод визначення технічного рівня маневрових тепловозів.

3. Технічний рівень та його динаміка для маневрових тепловозів.

4. Раціональний технічний рівень на заданий період.

5. Залежності показників локомотивів з урахуванням зміни технічного рівня.

6. Прогноз параметрів для перспективних маневрових тепловозів.

На другому етапі визначаються характеристики нового маневрового тепловоза з урахуванням регіону експлуатації, вартості життєвого циклу та особливостей України. Для цього виконуються та визначаються:

7. Технічний рівень існуючих маневрових тепловозів з використанням системного підходу.

8. Оптимальний технічний рівень маневрового тепловоза з урахуванням вартості його життєвого циклу.

9. Прогноз характеристик перспективних маневрових тепловозів з урахуванням вартості їх життєвого циклу.

10. Вибір вузлів та агрегатів для маневрового тепловоза, які б задовольняли визначений технічний рівень.

11. Система ЕТОР і її характеристики.

Спочатку був визначений характер показників (детермінований або стохастичний) на протязі всього життєвого циклу. Основні положення про життєвий цикл висвітлені як в нормативній документації, так і в наукових статтях. Під життєвим циклом локомотива (Тжц) будемо розуміти сукупність етапів його існування: стадій виробництва (проектування, побудова, випробування) tI, експлуатації tII та утилізації tIII.

На першому етапі життєвого циклу маневрового локомотива обирається концепція побудови, виконуються дослідні, дослідно-конструкторські і проектні роботи, здійснюється підготовка і організація виробництва. Другий етап включає до себе роботу локомотива в експлуатації, його технічне обслуговування і ремонт. Третій етап – це зняття маневрового тепловоза з експлуатації та його утилізація.

Вибір і забезпечення значень характеристик маневрового тепловоза на протязі всього життєвого циклу залежить від багатьох факторів: кліматичних умов, регіону експлуатації, обсягів робіт, надійності вузлів, прийнятої системи ТО та ПР та ін., які не є постійними. Тому однозначно визначити ці показники існуючими методами неможливо. Але в наведеній постановці дана задача є задачею стохастичного програмування.

Процес визначення показників маневрового тепловоза на весь життєвий цикл (рис.1) в умовах невизначеності та ризику до накопичення інформації про всі вихідні дані можна розбити на вісім етапів та дев’ять станів: . При цьому кожний стан характеризується своїм вектором показників маневрових тепловозів та вектором значень показників маневрових тепловозів .

В результаті обробки даних локомотивобудівельної промисловості по створенню нового рухомого складу всі характеристики маневрового тепловоза умовно розділені на три групи: в першу групу увійшли показники, значення яких є детермінованими (габаритні розміри, мінімальний радіус кривих); в другу групу увійшли показники, значення яких є стохастичними, але з відповідним припущенням їх можна вважати на відповідних стадіях детермінованими (вага локомотива, максимальна та розрахункова швидкості); в третю групу увійшли показники, значення яких є незалежно від етапу експлуатації стохастичними (потужність, сила тяги, ціна тепловоза, вартість життєвого циклу, строк служби). Результати визначення виду показників на протязі всього життєвого циклу показали, що починаючи з відповідного етапу показники мають детермінований характер (табл. 1).

Таблиця 1

Стан | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9

Показник | nосей | R | L,B,H | Pл, Vmax, V?, Ne | Цл | - | - | - | -

Примітка: Тсл, Цжц на всіх етапах життєвого циклу мають стохастичний характер.

В табл.1 позначено: nосей - кількість осей в локомотиві; R – мінімаль-ний радіус кривих щодо вписування, м; L,B,H - довжина, ширина і висота локомотива відповідно, м; Pл - вага локомотива; Vmax - максимальна швид-кість локомотива, км/год; V? - швидкість тривалого режиму, км/год;

Ne – потужність локомотива, кВт; Цл - вартість локомотива, грн.; Тсл - строк служби, роки; Цжц - вартість життєвого циклу, грн.

Для реалізації концепції були розроблені наукові основи по визначенню показників маневрових тепловозів, які можна підрозділити на два етапи. На першому етапі були визначені показники маневрових тепловозів з урахуванням світового досвіду локомотивобудування. Оскільки переважна кількість їх має стохастичний характер, і відповідно їх неможливо розрахувати за відомими формулами, були розроблені моделі для їх визначення.

Перша модель являє доопрацьовану модель прогнозування за питомими параметрами. Суть її полягає в наступному. Спочатку методом таксонів, який відноситься до методів теорії розпізнавання образів, тепловози були розбиті за трьома критеріями на групи: за критерієм вісності згруповані в п’ять груп (2, 3, 4, 6, 8 вісні локомотиви); за критерієм ефективної потужності на три групи (до 400 к.с., від 400 до 800 к.с., від 800 до 1200 к.с. та більше 1200 к.с.); за критерієм питомої сили тяги у чотири групи (0,171; 0,220; 0,274 та 0,307 кН/кВт).

Для цих груп отримані залежності різних показників тепловоза від потужності. Оскільки був зібраний матеріал по маневрових локомотивах більш ніж 140 серій, то для більш точного розрахунку невідомі коефіцієнти знаходились за допомогою методу найменших квадратів, тобто цільовою функцією є:

. (1)

При цьому були введені обмеження:

. (2)

Перевірка значущості отриманих залежностей виконувалася за допомогою відомого кореляційного відношення R. Для прогнозування обирались ті залежності, в яких R було найбільшим за значенням. При цьому обов’язковою умовою було R>0,75. Отримані залежності для прогнозування показників чотиривісного маневрового тепловоза з електричною передачею наведені в табл.2.

Таблиця 2

Показник | Залежність для прогнозування | R2 | Критерій груп-ння

Сила тяги, кН

- рушення

- тривалого реж. |

Fдот = 5*10-5Ne2 -0,0296Ne + 241,64

Fтр = 4*10-5 Ne2 -0,022Ne + 179,01 |

0,8447

0,8449 |

2

2

Маса, т | Р = 2*10-5Ne2 - 0,0098Ne + 81,77 | 0,8435 | 2

Навантаження на вісь, тс | Рвісь = -5*10-6Ne2+0,0174Ne+11,728 | 0,8488 | 1

Швидкість, км/год - максимальна

- тривалого реж. |

Vмах = 2*10-5Ne2- 0,0091Ne +99,965

Vтрив = -7*10-7Ne2 +0,0065Ne +1,8107 |

0,8401

0,9411 |

2

1

Мінімальний радіус кривих, м | Rmin = -4*10-5Ne2 + 0,092 Ne + 5,1579 | 0,9321 | 2

Запас палива, кг | Qпал = -0,0025Ne2 + 8,4271Ne - 1012,9 | 0,9954 | 1

Запас піску, кг | Qпск = -5*10-6Ne2 + 1,5803Ne - 13,497 | 0,9988 | 1

Довжина, м | S = -3*10-6Ne2 + 0,0082Ne + 9,6114 | 0,7830 | 3

Ширина, м | L = -4*10-7Ne2 + 0,0009Ne + 2,656 | 0,6190 | 2

Висота, м | H = -6*10-7Ne2 + 0,0014Ne + 3,5014 | 0,6120 | 1

При наявності необхідної вибірки локомотивів більш ефективною є друга модель. Технічний рівень характеризується своїм вектором показників маневрових тепловозів , вектором значень показників маневрових тепловозів , вектором вагових коефіцієнтів та вектором ймовірності не змінення цього показника у вибраному стані .

Критерій технічного рівня маневрових тепловозів має вигляд:

. (3)

Показники, які характеризують тепловоз у маневровій роботі, були вибрані з використанням теорії множин. При цьому вектор цих показників представлений в такому вигляді

, (4)

Для визначення вагових коефіцієнтів цих показників був використаний експертний метод, який дозволив визначити такі значення:

. (5)

Ймовірність не змінення усіх показників прийнята 1,0. Потім для кожної групи за обраними раніше критеріями та за двома – трьома були отримані залежності показників маневрового тепловоза від технічного рівня.

Для прогнозування технічного рівня чотиривісних маневрових тепловозів з електричною передачею була отримана залежність зміни технічного рівня від років, яку можна представити в такому вигляді:

. (6)

Розрахунковий приріст коефіцієнта технічного рівня маневрових тепловозів на період 10 років знаходиться в межах 0,02…0,04 (рис. 2).

Для три-, шестивісних та в взагалі для всіх маневрових тепловозів з урахуванням відповідних обмежень були отримані залежності зміни технічного рівня від років аналогічним чином.

, (7)

, (8)

. (9)

Для врахування зміни значень технічного рівня маневрових тепловозів з електричною передачею в часі була розроблена альтернативна модель. Прийнявши показники детермінованими, технічний рівень усіх маневрових тепловозів розраховуємо за формулою (5). Потім для кожної групи за обраними раніше критеріями з використанням нейронних мереж будуються моделі для прогнозування. Спочатку задається функція КТР, яка характеризує технічний рівень локомотива в даний рік побудови у визначеному інтервалі [t0, t1], де t0, t1 – відповідно початковий та кінцевий моменти часу, в інтервалі якого розглядається технічний рівень локомотивів. Прогнозування виконується для значення технічного рівня в точці t > t1 , тобто в момент часу ( t1 + t), де t - прогнозний період. Для цього будується нейромережа, яка має k1 входів та k2 виходів. В якості вхідного вектора був взятий вектор КТР, компоненти якого представлені часовим рядом, який представляє значення технічного рівня маневрових тепловозів на інтервалі часу [t0, t1]

. (10)

Основною вимогою до вхідних даних при цьому є їх стаціонарність, яка характеризується для часових рядів однойменністю законів їх розподілів, тобто

, (11)

та несуперечливість, тобто, щоб набори, які входять до складу як навчальної, так і контрольної вибірки, не суперечили один одному.

Вихідний вектор КТРпрог являє собою множину змінних, яка є підмножиною змінних вхідного сигналу, тобто значення якого було спрогнозовано на tі прогнозний період. При прогнозуванні був взятий інтервал [t0=1950, t1=2004] з t =10 рокам. Отримане прогнозне значення коефіцієнта технічного рівня дорівнює 1,31.

На основі розроблених вище моделей та отриманих залежностей були зроблені розрахунки основних характеристик перспективного типажу маневрових тепловозів для залізниць України, який затверджено наказом Укрзалізниці. Як показав аналіз робіт у світовій і вітчизняній практиці використовуються дво-, три-, та чотиривісні візки, тому з урахуванням обсягів і виду маневрової роботи на залізницях України більш доцільно використовувати чотири групи маневрових тепловозів.

В третьому розділі. були розроблені функціональні і структурні схеми маневрових тепловозів (рис.3) та на основі виконаних досліджень системний метод оцінки технічного рівня маневрових тепловозів. Після цього з використанням морфологічного аналізу були вибрані основні вузли маневрового тепловоза.

Аналіз прийнятої номенклатури показників технічного рівня маневрових тепловозів показав, що вони в недостатній мірі враховують всі технічні сторони локомотива. Для врахування всіх цих сторін були виділені основні структурні елементи локомотива і їх зв'язок між собою , де Аі – і-та підсистема локомотива.

Взаємний вплив між багатьма елементами підсистем та їх вузлами невідомий, тобто невідомо, як їх взаємна дія буде впливати на технічний рівень маневрового локомотива. Тому в результаті виконаних досліджень при наявності обмежених вихідних даних можна припустити, що підсистеми взаємно незалежні. Тоді комплексний коефіцієнт технічного рівня розраховується за формулою

, (12)

де m1 – кількість підсистем, які виділені в локомотиві;

Кі – коефіцієнти технічного рівня і-ої підсистеми;

У свою чергу, кожна підсистема Аj складається з Аіj елементів. При цьому кожний з елементів Аіj характеризується своїми технічними параметрами . Коефіцієнти технічного рівня і-ої підсистеми розраховуються з використанням бального методу за формулою

, (13)

де m – кількість модулів та вузлів в і-тій підсистемі локомотива;

– бальні коефіцієнти технічного рівня j–го вузла і-ої підсистеми відповідно нового локомотива і базового,

або методу вагових коефіцієнтів

, (14)

де qij - ваговий коефіцієнт j–го вузла (модуля) і-ої підсистеми локомотива;

– значення технічного параметра j–го вузла і-ої підсистеми відповідно нового локомотива і базового.

З використанням розробленого методу був оцінений технічний рівень складових маневрового тепловоза. За базовий був прийнятий тепловоз серії ЧМЕ2. Результати розрахунків технічного рівня маневрового тепловоза ТЕМ103 та локомотива російського виробництва ТЕМ21 розробленим методом з використанням системного аналізу наведені в табл.3.

Технічний рівень маневрового тепловоза з урахуванням регіону експлуатації пропонується визначати за формулою

, (15)

де Кf – поправочний коефіцієнт, який враховує регіон експлуатації тепловоза.

Таблиця 3

Визначення технічного рівня маневрових тепловозів методом з використанням системного аналізу

І рівень підсистеми | Приріст технічний рівня по відношенню до базового

ТЕМ103 | ТЕМ21

Дизель і його підсистеми | +0,01 | +0,08

Передача | +0,04 | +0,17

Ходова частина | +0,01 | +0,02

Допоміжне обладнання | +0,05 | +0,10

Локомотив в цілому | +0,10 | +0,26

З використанням морфологічного аналізу були вибрані вузли маневрового тепловоза. Для цього спочатку були визначені структура і границі проблеми, яка досліджується, і в якості морфологічного простору була обрана матриця розмірністю mxn. Потім в області можливих рішень були заповнені “пусті зони” морфологічного простору. Після цього було виконано ранжирування отриманих рішень згідно з прийнятим критерієм і, використовуючи випадкові вибірки із загальної сукупності рішень, а також вибірки на основі використання ознак формальної близькості відомих рішень, які формуються навколо них, були вибрані основні серії вузлів.

На основі розроблених методів та моделей оцінки технічного рівня маневрових тепловозів була розроблена інформаційна система з відповідним пакетом прикладних програм. Вона дозволяє розрахувати технічний рівень маневрових тепловозів методами вагових коефіцієнтів, методом функції бажаності, індексним методом та системним методом.

В четвертому розділі запропонована модель визначення характеристик локомотивів, при розробленні якої вибір і забезпечення значень показників маневрового тепловоза залежить від багатьох відомих факторів: кліматичних умов, регіону експлуатації, обсягів робіт, надійності вузлів, прийнятої системи ТО та ПР та ін., які не є постійними.

Оскільки більша частина характеристик маневрового тепловоза має стохастичний характер, то модель визначення показників маневрового тепловоза подамо у вигляді багатоетапної стохастичної моделі з обмеженнями за ймовірністю:

, (16)

де - функція вартості життєвого циклу; - вектор показників маневрового тепловоза попереднього плану (1етап); с – вектор затрат плану 1-го етапу; - множина показників плану – компенсації; - випадкова технологічна матриця попереднього плану; - випадковий вектор обмежень; К – випукла багатогранна множина.

Оскільки вибір раціонального технічного рівня маневрового тепловоза з електричною передачею для залізниць України, а відповідно і його характеристик має оптимізаційний характер, то за цільову функцію прийнята сумарна вартість життєвого циклу

. (17)

Обмеженнями є особливості експлуатації залізниць України

(18)

та додаткові

. (19)

У свою чергу перша функція характеризує перший етап життєвого циклу і залежить від рівня науково-виробничого об’єднання, який проектує та виготовляє маневровий тепловоз, і вибору оптимальної стратегії. Вона визначає ціну локомотива і її можна розкласти на складові:

. (20)

Відповідно до досліджень Басова Г.Г., перша складова в основному залежить від кваліфікації конструкторів, друга визначається кваліфікацією технологів та робітників, третя - від ступеня новизни вузлів та деталей, а четверта - від рівня виробництва. При цьому всі складові залежать від часу та технічного рівня тепловоза, який розробляється. Тому вибір оптимальної стратегії на першому етапі життєвого циклу виконувався за критерієм мінімізації загального часу виконання робіт та максимізації технічного рівня тепловоза

, (21)

(22)

при обмеженні безпомилкового виконання і середнього часу переходу методом, який базується на алгоритмі Ховарда.

На основі моделі оптимізації випробувань був розроблений метод приймальних випробувань нового тягового рухомого складу, який затверджено наказом Укрзалізниці від 19.04.2005р. №130-ЦЗ.

Наступна функція характеризує витрати на локомотив на другому етапі життєвого циклу і визначається як

. (23)

Перша складова даної функції являє собою витрати за роботу локомотивних бригад

, (24)

де Zмаш – середня зарплата машиніста, грн; – кількість маневрових тепловозів в експлуатації, шт.; k1 – поправочний коефіцієнт, який залежить від кількості локомотивної бригади та наявності в помічника машиніста прав керування тепловозом, k1 ={1.0, 1.5, 1.8}.

Друга складова вказаної функції являє собою витрати на екіпіровку локомотивів

, (25)

де с – кількість людей в бригаді по екіпіровці; nzmin – кількість змін на добу; і – складові витрат на екіпіровці, і={масло, пісок, вода, матеріали}; bi – питомі витрати в маневровому русі відповідно масла, піску, води, матеріалів; Цi – вартість 1т відповідно масла, піску, води, матеріалів.

У свою чергу штат бригад з екіпіровки та їх кількість залежить від парку локомотивів, системи обслуговування та трудомісткості робіт з обслуговування. Третя складова вказаної функції являє собою витрати на технічне обслуговування та поточні ремонти

, (26)

де ZTOPrj – зарплата робітника на j-му ремонті по r- ій спеціальності, грн; j – види обслуговувань та ремонтів, j={ТО-3, ПР-1, ПР-2, ПР-3, КР};krj – відсоток розподілу робітників за професіями; – трудомісткість ремонту, люд*год; Qj – витрати на запасні частини та матеріали на j-му виді ремонту.

Четверта складова являє собою витрати на реконструкцію локомотивного депо під виконання ремонту нових тепловозів. Якщо вузли нового локомотива відрізняються від тих, які знаходяться в експлуатації, лише окремими наукоємними вузлами і ремонт цих вузлів буде виконувати сервісна група або завод-виробник, то затрати на реконструкцію депо будуть мінімальними і ними можна знехтувати для наших розрахунків.

Також в другий етап життєвого циклу входить складова від отримання соціально-екологічного ефекту

, (27)

де – константа, яка характеризує витрати через шкоду, заподіяну навколишньому середовищу, грн/умов.т.; – показник відносної безпеки забруднення повітря над територіями різних типів; f - поправка, яка враховує характер розсіювання домішок в атмосфері; M – приведена маса річних викидів забруднень із локомотива, умов.т/рік.

Третя функція являє собою витрати на утилізацію. Враховуючи дослідження Бабаніна О.Б., Батюшина І.Є. та припустивши, що тепловози за весь термін служби перепродаватись не будуть, можна припустити, що ця функція буде являти собою витрати, пов’язані з утилізацією локомотива.

Отже, вартість життєвого циклу буде являти таке рівняння:

.(28)

Вартість життєвого циклу маневрових тепловозів відповідної складності визначалась за розробленою моделлю розрахунковим методом. В результаті були отримані залежності витрат по роках для локомотивів різної складності (рис.4), а відповідно і різного технічного рівня. Розглядались локомотиви таких варіантів: варіант 1 – маневровий локомотив ЧМЕ1; варіант 2 – маневровий локомотив з передачею змінно-постійного струму та дизелем 10Д80; варіант 3 – маневровий локомотив з передачею змінно-постійного струму та дизелем Д49; варіант 4 – маневровий локомотив з передачею змінно-змінного струму; варіант 5 – маневровий локомотив з передачею змінно-постійного струму та дизелем MTU.

Рис. 4. Залежність вартості життєвого циклу від років експлуатації

Як свідчить цільова функція, вартість життєвого циклу маневрового тепловоза залежить не тільки від його технічного рівня, а і в значній мірі від фірми-виробника, кількості локомотивів, виду обслуговування, ремонтної бази та інших експлуатаційно-ремонтних факторів. Тому для визначення раціонального технічного рівня введені додаткові обмеження

. (29)

Взявши похідну по технічному рівню та прирівнявши її до нуля, отримаємо раціональний технічний рівень нового маневрового тепловоза за прийнятими обмеженнями дорівнює 1,19 з точністю 0,005 для тепловозу ТЕМ103 (рис.5).

Для оцінення пристосованості маневрових тепловозів до експлуатації пропонується до відомих критеріїв додати два додаткові. Перший – це критерій пристосованості маневрового тепловоза до експлуатації за ціною локомотива, який показує відношення вартості життєвого циклу тепловоза до його початкової вартості і розраховується за формулою:

. (30)

Для маневрових тепловозів з технічним рівнем від 0,5 до 1,5 цей критерій повинен бути меншим 4,0.

Другий – це критерій пристосованості тепловоза до експлуатації за мінімальними витратами на експлуатацію та екіпіровку, який показує відношення існуючих витрат на експлуатацію, екіпіровку, обслуговування та ремонт тепловоза до мінімальних витрат на експлуатацію та екіпіровку і розраховується за формулою

. (31)

Потім, з урахуванням отриманих закономірностей, в другому розділі прогнозовані основні показники маневрового тепловоза для залізниць України.