Содержание к диссертации
Введение
1. Теоретические основы управления техническим состоянием моста по фактическому состоянию 11
1.1 Принципы управления техническим состоянием моста по фактическому состоянию 11
1.2 Управление техническим состоянием моста по критерию минимума средних удельных затрат 16
1.3 Управление техническим состоянием моста при наличии нескольких стохастически зависимых параметров 21
1.4 Минимизация рисков экспертных заключений при оценке технического состояния моста 25
2. Повышение надежности моста в процессе эксплуатации путем оптимального предупредительного ремонта элементов 30
2.1 Задача оптимального управления техническим состоянием моста как сложной технической системы путем замен «слабых звеньев» 30
2.2 Математическая модель оптимальных предупредительных замен (ремонта) элементов в процессе управления техническим состоянием моста как сложной технической системы 32
2.3 Метод вычисления оптимального интервала предупредительных замен (ремонта) для заданной функции интенсивности отказов 41
2.4 Расчет оптимального интервала предупредительного ремонта элементов пролетных строений ПСК 45
2.4.1 Расчет оптимального интервала предупредительных замен (ремонта) для пролетных строений ПСК при вероятности безотказной работы P(v0) = 0,9845 46
2.4.2 Расчет оптимального интервала предупредительных замен (ремонта) для пролетных строений ПСК при вероятности безотказной работы P(v0) = 0,9515 55
2.5 Возможности методики вычисления оптимального интервала предупредительных замен (ремонта) 63
3. Управление техническим состоянием моста на основе вероятностной оценки усталостного ресурса элементов 66
3.1 Вероятностная оценка усталостного ресурса элементов пролетных строений ПСК 66
3.2 Алгоритм вычисления момента усиления элементов пролетных строений ПСК 79
3.3 Оптимизация выбора момента усиления элементов пролетных строений ПС 81
4. Оценка надежности работы моста с учетом различных законов распределения для отдельных элементов 84
4.1 Метод вычисления вероятности безотказной работы сложной технической системы с учетом различных законов распределения для отдельных элементов 84
4.2 Программный комплекс вычисления вероятности безотказной работы сложной технической системы 89
4.2.1 Ввод данных. Задание числа узлов и элементов 90
4.2.2 Указание законов распределения или вероятностей 91
4.2.3 Выполнение расчета 92
4.2.4 Изменение исходных данных 94
4.3 Расчет вероятности безотказной работы пролетного строения ПСК при различных надежностных характеристиках элементов 94
Основные результаты и выводы 97
Список литературы
- Управление техническим состоянием моста при наличии нескольких стохастически зависимых параметров
- Математическая модель оптимальных предупредительных замен (ремонта) элементов в процессе управления техническим состоянием моста как сложной технической системы
- Алгоритм вычисления момента усиления элементов пролетных строений ПСК
- Программный комплекс вычисления вероятности безотказной работы сложной технической системы
Введение к работе
Актуальность проблемы. На железных дорогах России в настоящее время эксплуатируется большое количество мостов с металлическими пролетными строениями, в том числе клепаными, построенных в течение последних 100 лет. Эксплуатируемые в настоящее время мосты работают в условиях высоких скоростей движения поездов и повышенной грузонапряженности. Мосты - весьма ответственные сооружения, поэтому к надежности их функционирования предъявляются очень высокие требования.
Большой вклад в решение проблем надежности транспортных конструкций внесли ученые: А.В. Александров, К.Б. Бобылев, С.А. Бока-рев, В.В. Болотин, К.П. Большаков, В.М. Бродский, В.М. Горпенченко, Л.И. Иосилевский, П.С. Костяев, В.М. Круглое, Е.Н. Курбацкий, В.В. Ларионов, В.П. Мальцев, Н.А. Махутов, В.Б. Мещеряков, Е.М. Морозов, Н.И. Новожилова, А.В. Носарев, В.О. Осипов, А.С. Платонов, А.А. Потапкин, В.Д. Потапов, П.М. Соломахин, Е.П. Феоктистова, В.В. Цернант, В.П. Чирков, Н.Н. Шапошников и многие другие.
Проведенная в Департаменте пути и сооружений Министерства путей сообщения России (ЦП МПС РФ) в 2002 г. техническая экспертиза состояния инженерных сооружений свидетельствует о том, что эксплуатирующиеся на сети железных дорог сооружения в основном успешно воспринимают поездную нагрузку и противостоят неблагоприятным воздействиям внешней среды. Однако на ряде дорог состояние искусственных сооружений не полностью обеспечивает требуемую безопасность и бесперебойность движения поездов.
Исследования, проведенные в МИИТе, показывают, что усталостный ресурс отдельных элементов главных ферм металлических пролетных строений, находящихся в эксплуатации около 60 лет, в значительной мере исчерпан.
Для безопасной эксплуатации железнодорожных мостов необходимо
следить за их фактическим техническим состоянием. Это, с одной сто
роны, влечет за собой дополнительные экономические затраты, а с дру
гой стороны, уменьшает риск разрушения моста и продлевает срок его
службы, что дает экономическую прибыль. Таким образом, возникает
задача оптимизации, то есть оптимального управления техническим со
стоянием сложной технической системы - моста, по критерию - «на
дежность - затраты», что означает максимум надежности при миниму-
ме экономических затрат. I рос. национальна*!
I БИБЛИОТЕКА _J 3
I СЛ
В настоящее время на практике такая задача не решается: ремонт элементов моста производится по истечении определенного времени, рассчитанного на основании среднестатистических данных. Это соответствует распространенной на сегодняшний день стратегии управления техническим состоянием мостов на основе нормируемых межремонтных сроков. Однако проведенные исследования показывают, что от такой стратегии необходимо переходить к стратегии управления техническим состоянием мостов по их фактическому состоянию. Применение этой стратегии позволит усовершенствовать режим эксплуатации (периодичность обследования, применение различных способов повышения ресурса и др.) с целью обеспечения требуемой надежности мостов и повышения сроков их службы.
Поэтому проблема разработки теоретических основ и методов управления техническим состоянием эксплуатируемых мостов по их фактическому состоянию становится все более актуальной. В современных экономических условиях такой подход позволит принимать теоретически обоснованные оптимальные решения по управлению техническим состоянием мостов в соответствии с критерием «надежность - затраты» и может дать большой экономический эффект при условии обеспечения заданной надежности.
Цель исследования состоит в разработке теоретических основ и методов управления техническим состоянием моста, которые позволят перейти от стратегии управления на основе нормируемых межремонтных сроков к стратегии управления техническим состоянием мостов по их фактическому состоянию, при применении которой решается задача оптимального управления техническим состоянием моста по критерию «надежность - затраты», что означает максимизацию вероятности безотказной работы при минимуме экономических затрат.
Методы исследования. В работе использованы методы теории вероятности, математической статистики, теории надежности, а также теория многомерных случайных процессов и методы математического и функционального анализа.
Научная новизна. В работе решаются новые задачи:
разработка стратегии управления техническим состоянием моста по его фактическому состоянию;
создание модели управления техническим состоянием моста в условиях контролируемого накопления повреждений по критерию минимума средних удельных затрат; -
4 :*".".. ...
построение векторного управления техническим состоянием моста при наличии нескольких стохастически зависимых параметров;
разработка стохастической модели принятия решений на основе экспертных заключений при оценке технического состояния моста с минимальным риском;
создание модели управления техническим состоянием моста путем оптимального предупредительного ремонта элементов.
В данной работе предлагаются новые методы:
оптимизация управления техническим состоянием моста по критерию минимума средних удельных затрат с учетом накапливаемых повреждений и двухуровневого предельного состояния элемента конструкции;
векторное управление техническим состоянием моста, строящееся на базе теории многомерных случайных процессов;
минимизация рисков экспертных заключений при оценке технического состояния моста;
управление техническим состоянием моста на основе вычисления оптимального интервала предупредительных замен (ремонта) «слабых звеньев»;
вычисление вероятности безотказной работы сложной технической системы с учетом различных законов распределения для отдельных элементов.
Достоверность полученных результатов следует из достоверности примененных математических методов исследования, а также из того, что методики, разработанные на основе аналогичных методов, эффективно применяются для таких сложных технических систем как магистральные трубопроводы, объекты авиационной техники и других.
Практическая ценность. Предлагаемый метод управления техническим состоянием сложных технических систем по критерию минимума средних удельных затрат на основе анализа рисков развития повреждений с учетом двухуровневого предельного состояния элемента, а также метод векторного управления техническим состоянием моста на основе теории многомерных случайных процессов могут быть использованы для определении оптимальной стратегии управления техническим состоянием мостов и других сложных технических систем с целью повышения надежности функционирования и экономической эффективности их эксплуатации.
Применение созданного алгоритма минимизации рисков экспертных
заключений при оценке технического состояния моста позволит значительно сократить затраты на проведение экспертизы, улучшить ее качество и существенно повысить эффективность проведения экспертной оценки технического состояния моста в процессе управления его техническим состоянием.
Разработанные основы методики оптимальных предупредительных замен (ремонта) элементов в процессе управления техническим состоянием сложной технической системы являются одним из основных элементов стратегии управления техническим состоянием моста по фактическому состоянию и могут использоваться для продления ресурса моста и повышения его надежности при длительной эксплуатации.
Применение вероятностной оценки усталостного ресурса элементов пролетных строений ПСК позволит усовершенствовать режим эксплуатации (периодичность обследования, применение различных способов повышения ресурса и др.) с целью обеспечения требуемой надежности и повышения сроков их службы.
Использование предлагаемого алгоритма вычисления момента усиления элементов металлических пролетных строений железнодорожных мостов позволит оптимизировать выбор момента усиления.
Созданный на основе разработанного метода расчета вероятности безотказной работы сложных технических систем программный комплекс позволяет рассчитывать вероятность безотказной работы и остаточный ресурс системы с использованием различных законов распределения для каждого элемента в отдельности.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались:
1. На научных чтениях, посвященных памяти Н.Е. Жуковского
2. На семинарах кафедр «САПР транспортных конструкций и со
оружений» и «Мосты».
Доклады и публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 10 статьях. На защиту выносятся:
теоретические основы управления техническим состоянием моста по критерию минимума средних удельных затрат с учетом двухуровневого предельного состояния элемента конструкции;
алгоритм минимизации рисков экспертных заключений при оценке технического состояния моста;
математическая модель оптимальных предупредительных замен
(ремонта) элементов в процессе управления техническим состоянием моста как сложной технической системы;
метод вычисления оптимального интервала предупредительных замен (ремонта) для заданной функции интенсивности отказов;
результаты расчетов оптимального интервала предупредительного ремонта элементов пролетных строений ПСК;
алгоритм вычисления и результаты расчетов момента усиления элементов пролетных строений ПСК на основе вероятностной оценки их усталостного ресурса;
метод расчета вероятности безотказной работы сложной технической системы с учетом различных законов распределения для отдельных элементов.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 116 страницах и содержит 37 рисунков и 13 таблиц.
Управление техническим состоянием моста при наличии нескольких стохастически зависимых параметров
Основные термины и определения надежности регламентируются нормативными документами (ГОСТ 27.002-89). В теории надежности рассматриваются обобщенные объекты, представляющие собой изделия, системы, сооружения и их элементы, установки, устройства, машины, аппаратуру, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали [26].
Надежность - свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Надежность объекта обусловливается его безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью.
Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени. Работоспособность - состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции с установленными параметрами. Наработка - продолжительность или объем работы объекта, измеряемый в единицах времени, циклах, километрах или в других единицах. Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов. Под устранением отказов подразумевается восстановление
Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности. Отказом считается не только повреждение или разрушение конструкции или ее элементов, но и недопустимые отклонения параметров от расчетных или заданных значений, например, недопустимый прогиб пролетного строения. По характеру возникновения отказы делят на внезапные, например, хрупкое разрушение или потеря устойчивости элемента, и постепенно на 15 растающие, когда параметры элемента или конструкции ухудшаются постепенно и достигают значений, при которых дальнейшая нормальная эксплуатация становится невозможной или нецелесообразной. К постепенно нарастающим отказам относятся отказы, связанные с механическим износом, коррозией, накоплением усталостных повреждений и др.
По возможности устранения отказы могут быть устранимыми, которые можно ликвидировать путем ремонта, и неустранимыми, если их ликвидация путем ремонта становится невозможной или невыгодной. Различают полный отказ, когда, например, по мосту не возможен пропуск подвижной нагрузки, или частичный отказ, при котором возможен пропуск нагрузок с определенными ограничениями, например, по весу или по скорости движения.
Надежность характеризуется рядом показателей. Важнейшим показателем надежности является вероятность безотказной работы - вероятность того, что в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки не возникнет отказа. Учитывают также интенсивность отказов, т. е. условную вероятность возникновения отказа для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого отказа не было. Для ремонтопригодных объектов пользуются также показателем наработка на отказ - это среднее значение наработки между отказами. Основными показателями долговечности являются ресурс и срок службы.
Ресурс - наработка объекта до предельного состояния. Различают средний ресурс, т. е. среднюю наработку до предельного состояния и у-ресурс - ресурс, который имеет и превышает обусловленное число (у) процентов изделий данного типа. Таким образом, ресурс характеризует долговечность при выбранном уровне вероятности безотказной работы. Назначенный ресурс - наработка, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его состояния.
Для мостов основным показателем долговечности является срок службы - календарная продолжительность эксплуатации до возникновения предельного состояния. Различают срок службы до первого капитального ремонта (усиления), срок службы между капитальными ремонтами и срок службы до списания (замены).
Мост представляет собой сложную техническую систему. Эта система является ремонтопригодной. Произведя ремонт или усиление отдельных элементов, можно увеличивать срок службы моста. Однако с увеличением срока эксплуатации стоимость ремонта и содержания также возрастают. Поэтому при определении оптимального срока службы мостов наряду с оценкой надежности должны выполняться тщательные экономические расчеты.
Отказы, возникающие в отдельных элементах моста, различны по своим последствиям. Поэтому вероятность безотказной работы для отдельных элементов моста должна задаваться в зависимости от последствий появления рассматриваемого отказа и возможности его обнаружения. Если, например, под отказом подразумевается хрупкое разрушение, способное привести к обрушению пролетного строения, то вероятность безотказной работы должна быть очень близкой к единице. А если в качестве отказа рассматривается расстройство заклепок, то ее значение можно существенно снизить.
Математическая модель оптимальных предупредительных замен (ремонта) элементов в процессе управления техническим состоянием моста как сложной технической системы
Уравнение (2.8) имеет хотя бы один корень, в чем можно убедиться, сравнивая значения левой и правой частей в точке т = 0 и при т - оо.
Из (2.8) нужно определить корни уравнения, т.е. стационарные точки функции р(х, т), которые являются точками возможного локального экстремума, и выбрать среди них корень, доставляющий функции р(х, х) наибольшее значение.
Пусть Ть ..., тп - корни уравнения (2.8). В данном случае X (t) 0 и Т2 ТЬ поэтому оптимальным значением корня (обозначим его через То) следует считать наименьший положительный корень уравнения, так как в данном случае функция maxp(x,Tj), і = l,n, о упростить, например, если считать, что предупредительный интервал х намного меньше среднего времени безотказной работы элемента, что чаще всего и бывает на практике, то есть х«Т0, где Т0 - среднее время безотказной работы элемента, которое можно вычис 00 лить по формуле Т0 = j[l - F(t)]dt.
Дифференцируя (2.9) по т и приравнивая полученный результат к нулю, получаем уравнение, которое является необходимым условием экстремума функции р(х, т) с учетом введенного допущения: в силу монотонного возрастания функции, стоящей в правой части этого уравнения, имеет единственный корень То - величину оптимального значения интервала предупредительных замен (ремонта). По истечении интервала То элемент должен быть обязательно заменен (отремонтирован).
Если ввести еще одно часто выполняемое на практике допущение: ТіХ,(т)х « 1, то уравнение (2.10) принимает вид
Уравнения (2.11) и (2.12) можно решать итерационными методами, однако, в данном случае их удобно решать графически: построить график функции, стоящей в правой части уравнения, по оси ординат отложить отношения Tj / (Т2 - Т) + х) или Т] / (Т2 + х). Точка пересечения построенной функции, имеющей монотонно возрастающий характер, и соответствующей прямой Ті / (Т2 - Ті + х) или Ті / (Т2 + х), параллельной оси абсцисс, определяет значение То Для использования соотношения (2.11) необходимо знать константы Ть Т2, х и функцию F(t). Значения Ті (среднее время замены (ремонта) работоспособного элемента) и Т2 (среднее время замены (ремонта) отказавшего элемента) определяют простым расчетом непосредственно из статистики, величину х (предупредительный интервал) задают условиями применения системы, а функция F(t) после нахождения A-(t)
Для решения уравнения (2.11), т.е. для определения оптимального интервала предупредительных замен (ремонта) То необходимо знать функцию интенсивности отказов A,(t).
Универсальность описываемого подхода заключается в том, что в качестве X,(t) можно взять любую возрастающую функцию, то есть можно применить данную методику для любой функции интенсивности отказов, в том числе для известных законов распределения (например, Вейбулла и др.) [6], а также для функции X,(t), полученной из накопленных статистических данных, путем их аппроксимации монотонно-возрастающей кривой.
Метод вычисления оптимального интервала предупредительных замен (ремонта) для заданной функции интенсивности отказов
В предыдущем пункте изложена математическая модель определения оптимального интервала предупредительных замен (ремонта) т0, инвариантная относительно закона распределения интенсивности отказов X,(t).
Построим на основе изложенной модели метод вычисления оптимального интервала предупредительных замен (ремонта) для распределения Вей 42 булла, которое соответствует модели внезапных отказов элементов конструкции, в частности элементов металлических пролетных строений ПСК [14]. Положим в выражении (2.14) а=1, Ь=0. Тогда функция интенсивности отказов принимает вид
В пользу практической приемлемости этого предположения имеются следующие аргументы: - среднее время Т0 задается экспертами или приближенно определяется статистически; - изменение функции Х(і) в процессе эксплуатации происходит очень медленно; - максимум функции Р(х, т) в окрестности то очень пологий.
В [2] показано, что при A-(t) вида (2.15) ошибка в распределении т0 в 15-20 % приводит к тому, что относительное отклонение функции Р(х) от максимума не превосходит 5-10 %, то где тп - расчетный квазиоптимальный интервал предупредительных замен (ремонта), полученный в предположении (2.15), а То - точное значение оптимального интервала предупредительных замен (ремонта).
Таким образом, по заданному времени То определяются функции (t) и F(t) из (2.11). В качестве То можно брать среднее время безотказной работы или интервал времени от начала эксплуатации моста до достижения заданной вероятности безотказной работы, например, Р(Т0)
В силу монотонного возрастания функции G(x) уравнение (2.26) имеет единственное решение т0, которое является оптимальным интервалом предупредительных замен (ремонта) элементов моста, в частности подвесок пролетных строений ПСК. 2.4 Расчет оптимального интервала предупредительного ремонта элементов пролетных строений ПСК
Для определения оптимального интервала предупредительных замен (ремонта) То с помощью уравнения (2.26) необходимо знать числовые значения констант Т0, Ть Т2 и х. В качестве исследуемого элемента ПСК бралась подвеска (рис. 2.1). Схема пролетного строения ПСК с расчетным пролетом 1=33 м. Выделены исследуемые элементы. Константа То - это полный усталостный ресурс элемента, т.е. наработка до отказа при заданной вероятности безотказной работы. Обозначим эту величину, выраженную в эталонных поездах, через N0. Тогда полный усталостный ресурс можно определить следующим образом остаточный усталостный ресурс, т.е. количество эталонных поездов, оставшееся до выработки полного ресурса.
Величина NOCT в формуле (2.27) для расчетов бралась из таблицы в Приложении 1. Ее значение зависит от расчетного пролета ПСК, от типа элемента ПСК и от типа эталонных поездов (современные или перспективные). В частности для подвесок пролетных строений ПСК с различными расчетными пролетами значение N0CT одинаково: N0CT = 1630 тыс. современных поездов или 143 тыс. перспективных поездов.
Алгоритм вычисления момента усиления элементов пролетных строений ПСК
Результаты, приведенные в таблице 3.1, показывают, что усталостные повреждения наиболее интенсивно накапливаются в подвесках и раскосах. Значительно медленнее накапливаются усталостные повреждения в элементах нижних поясов. Однако встречаются элементы нижних поясов, в которых усталостные повреждения накапливаются интенсивнее. При введении в обращение перспективной нагрузки вероятность отказа Q(N) возрастает на порядок. Например, для подвесок при N=750 тыс. современных поездов Q(N) = 9,370-10"4, а при пропуске 100 тыс. перспективных поездов (N=850 тыс.) Q(N) = 7,579-10"3.
Анализ зависимости, представленной на рисунках 3.1 - 3.8, показывает, что введение перспективной нагрузки снижает вероятность безотказной работы элемента (подвески). Для обеспечения заданной надежности пролетных строений необходимо уменьшить период между ремонтами поврежденных элементов или провести их усиление.
Наиболее простым способом повышения усталостной прочности клепаных пролетных строений является превращение клепаных соединений в клепано-болтовые путем замены заклепок в наиболее напряженных крайних рядах высокопрочными болтами. При этом остаточный усталостный ресурс повышается в 2-5 раз [14].
Постановим задачу определения оптимального момента усиления элементов клепаных пролетных строений при условии, что остаточный ресурс элементов при замене заклепок высокопрочными болтами увеличивается в к раз( 1).
В качестве критерия оптимизации выберем T0HOB- max, где TQ ОВ - полный ресурс элемента с учетом проведенного усиления. Поскольку полный ресурс определяется как
Таким образом, оптимальным является текущий момент времени (3.4). Это означает, что усиление следует проводить как можно раньше, начиная с текущего момента времени. Однако проведение усиления в случае небольшого выработанного ресурса может быть экономически невыгодным.
Рассмотрим задачу вычисления момента усиления элементов клепаных пролетных строений в другой постановке. Пусть априори задано значение полного ресурса элемента с учетом усиления при условии увеличения остаточного ресурса в к раз (к 1).
Обозначим заданное значение полного ресурса элемента с учетом усиления через Т . Тогда значение Т можно вычислить следующим образом:
Примем, что остаточный усталостный ресурс подвески пролетного строения ПСК увеличивается в 2 раза при ее усилении высокопрочными болтами. Построим графики изменения вероятности безотказной работы подвески клепаного пролетного строения ПСК в зависимости от момента усиления (рис. 3.9). меняется полный ресурс элемента. В соответствии с алгоритмом, изложенном в пункте 3.2, при условии увеличения остаточного ресурса в 2 раза (к = 2) полный ресурс элемента будет тем больше, чем раньше провести усиление. На основании полученных данных можно принять решение, в какой момент проводить усиление. Это позволяет использовать вероятностные характеристики надежности, полученные в результате обработки статистических данных, и разработанный алгоритм для продления срока службы моста. иллюстрирует, как на основании изложенных выше методик и алгоритмов управлять техническим состоянием моста по его фактическому состоянию.
Применение вероятностной оценки усталостного ресурса элементов пролетных строений ПСК позволит усовершенствовать режим эксплуатации с целью обеспечения требуемой надежности и повышения сроков их службы, а использование предлагаемого алгоритма вычисления момента усиления элементов пролетных строений ПСК позволит оптимизировать выбор момента усиления.
В современных экономических условиях такой подход позволит принимать теоретически обоснованные оптимальные решения по критерию «надежность - затраты» и может дать большой экономический эффект при условии обеспечения заданной надежности.
Программный комплекс вычисления вероятности безотказной работы сложной технической системы
Таким образом, разработанный программный комплекс позволяет рассчитывать вероятность безотказной работы и остаточный ресурс сложной технической системы с учетом различных законов распределения для отдельных элементов.
Исследуем вероятность безотказной работы пролетного строения моста как системы из элементов и узлов, связанных между собой и имеющих различные вероятности отказа. В данной системе отказ любого элемента может привести к отказу системы в целом, а надежность такой системы в значительной мере зависит от числа элементов и их надежности. Результаты расчета вероятности безотказной работы пролетных строений ПСК с расчетными пролетами от 33 м до 66 м как системы, состоящей из элементов, имеющих различные вероятности безотказной работы, представлены нарис. 4.11.
Анализ результатов расчетов, приведенных на рис. 4.11, показывает, что в случае, если вероятности безотказной работы элементов остаются постоянными (при этом они различны для разных элементов), но число элементов увеличивается, то вероятность безотказной работы системы в целом снижается.
Таким образом, предлагаемый метод позволяет рассчитывать вероятность безотказной работы и остаточный ресурс сложной технической системы с учётом различных законов распределения для отдельных элементов.
Проведенный в работе анализ показал, что от стратегии управления на основе нормируемых межремонтных сроков необходимо переходить к стратегии управления техническим состоянием мостов по их фактическому состоянию, при применении которой решается задача оптимального управления по критерию «надежность - затраты», что означает максимизацию вероятности безотказной работы мостов при минимуме экономических затрат.
В основе предлагаемого подхода лежит рассмотрение моста как сложной технической системы. Такой подход позволяет применить к мосту результаты хорошо разработанной теории сложных динамических систем со стохастически меняющимися параметрами.
В диссертации разработана модель управления техническим состоянием моста в условиях контролируемого накопления повреждений и построена оптимальная стратегия управления техническим состоянием моста по критерию минимума средних удельных затрат. Такая стратегия, строящаяся на базе анализа рисков развития повреждений с учетом двухуровневого предельного состояния элемента конструкции, позволяет оптимизировать финансовые затраты и повысить надежность функционирования моста в целом.
В работе построена математическая модель векторного управления техническим состоянием моста при наличии нескольких стохастически зависимых параметров (накапливаемых повреждений) и определены оптимальные моменты устранения повреждений в элементах пролетных строений моста. При этом выбор оптимального шага наблюдений и устранения повреждений позволит минимизировать средние удельные затраты на эксплуатацию моста.
В диссертации построена стохастическая модель принятия решений на основе экспертных заключений и разработан алгоритм минимизации коллективных ошибок при оценке технического состояния моста с минимальным риском. Применение приведенного алгоритма получения оптимального решения позволит существенно сократить затраты на привлечение высококвалифицированных экспертов, улучшить качество экспертного заключения и тем самым значительно повысить эффективность проведения экспертной оценки состояния моста в процессе управления его техническим состоянием.
В работе представлены основы методики вычисления оптималь ного интервала предупредительных замен (ремонта) «слабых звеньев», кото рая является одним из основных элементов стратегии управления техниче ским состоянием мостов по фактическому состоянию и обладает следующими особенностями: - является универсальной (подходит для любой сложной технической системы, в том числе для моста любой конструкции, применима, начиная с любого момента времени функционирования моста, для любых элементов моста и для любой возрастающей функции интенсивности отказов); - позволяет учитывать все возможные варианты замены и синхронизировать оптимальные интервалы предупредительных замен (ремонта) для различных элементов моста; - является адаптивной (обладает возможностью уточнения расчетов при накоплении информации о техническом состоянии моста); - обладает инвариантностью относительно типов поездов.
В диссертации с помощью разработанного метода вычисления оптимального интервала предупредительных замен (ремонта) произведены расчеты для подвесок пролетных строений ПСК с расчетными пролетами 33-110 м. Анализ расчетов показал, что в начале эксплуатации или после усиления элемента межремонтный интервал можно увеличить, обеспечивая при этом требуемый уровень надежности и экономическую эффективность. При введении в обращение перспективной нагрузки при той же интенсивности движения межремонтный интервал необходимо уменьшить.
В работе на основе методики оценки усталостной долговечности элементов металлических пролетных строений железнодорожных мостов, разработанной в МИИТе, и полученных данных проведена вероятностная оценка усталостного ресурса, предложен алгоритм вычисления и представлены результаты расчетов момента усиления элементов пролетных строений ПСК. Применение вероятностной оценки позволит усовершенствовать режим эксплуатации с целью обеспечения требуемой надежности и повышения сроков службы пролетных строений ПСК, а использование разработанного алгоритма позволит оптимизировать выбор момента усиления.
В диссертации изложен метод расчета вероятности безотказной работы пролетного строения на основе остаточного ресурса элементов и приводится алгоритм вычисления вероятности безотказной работы сложной технической системы, позволяющий рассчитывать вероятность безотказной работы и остаточный ресурс пролетного строения в целом с учетом различных законов распределения для отдельных элементов. На основе построенного алгоритма создан программный комплекс вычисления вероятности безотказной работы сложной технической системы и приведены результаты расчетов, выполненных для пролетных строений ПСК.
