Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния проблемы оценки уровня безопасности подсистем железнодорожного транспорта 10
1.1. Характеристика структуры железнодорожной транспортной системы 11
1.2. Многоаспектный анализ безопасности железнодорожного транспорта за последние 10 лет 20
1.3. Содержательный анализ межфакторных связей в железнодорожной транспортной системе 26
1.4. Анализ теоретических основ и методов крепления груза на подвижном составе 33
1.5. Выводы 37
ГЛАВА 2. Многоаспектный анализ безопасности функционирования железнодорожной транспортной системы 38
2.1. Классификация факторов, влияющих на безопасность функционирования ЖДТС и ее подсистем 39
2.2. Анализ состояния безопасности функционирования ЖДТС за период 2003-2012гг. 47
2.3. Выводы 70
ГЛАВА 3. Математическое моделирование влияния частных характеристик на уровень безопасности функционирования ждтс 73
3.1 Регрессионная модель оценки уровня безопасности функционирования ЖДТС 73
3.2. Программный комплекс прогнозирования уровня безопасности функционирования ЖДТС 80
3.3. Выводы 84
ГЛАВА 4. Разработка вычислительной процедуры принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига 86
4.1 Математическая формализация расчета натяжений в растяжках с учетом возможного сдвига груза под воздействием внешних факторов 87
4.2. Вычислительная процедура принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига на примере груза с плоской опорой 98
4.3. Вычислительные эксперименты по обоснованию технологии крепления груза согласно ТУ 103
4.4. Выводы 121
Основные результаты и выводы 123
Список использованных источников 125
- Многоаспектный анализ безопасности железнодорожного транспорта за последние 10 лет
- Классификация факторов, влияющих на безопасность функционирования ЖДТС и ее подсистем
- Программный комплекс прогнозирования уровня безопасности функционирования ЖДТС
- Математическая формализация расчета натяжений в растяжках с учетом возможного сдвига груза под воздействием внешних факторов
Введение к работе
Актуальность работы. Обеспечение комплексной безопасности перевозочного процесса является приоритетным направлением деятельности железнодорожного транспорта и позволяет: повышать сохранность перевозимых грузов, а также снижать непроизводительные расходы на ликвидацию последствий нарушений безопасности движения, коммерческих браков и т.д.
Добиться эффективной реализации данной стратегии возможно, в частности, за счет повышения безаварийности работы всех подразделений железнодорожного транспорта.
Проведенный анализ показателей перевозочного процесса на ВосточноСибирской железной дороге и результаты расследования случаев аварий, крушений и браков в работе показал, что в течение всего рассматриваемого периода наблюдался рост выявленных случаев коммерческих неисправностей. Представляется, что проблема комплексной оценки уровня безопасности всех подразделений железных дорог может быть эффективно решена только на основе использования методологии системного анализа, который предполагает, в частности, разработку алгоритмического и программного обеспечения анализа безопасности подсистем железнодорожного транспорта.
Важной проблемой обеспечения безопасности движения поездов, от решения которой зависит состояние аварийности, как в грузовой подсистеме, так и в вагонном хозяйстве, является не соблюдение Технических условий погрузки и крепления грузов при приеме груза перевозке, нарушение целостности крепления в пути следования и техническое состояние элементов кузова грузовых вагонов. Оценка положения дел по обеспечению безопасности функционирования грузовой подсистемы требует определения основных проблем в этой сфере и разработки путей их решения. Среди них главной является прием грузов к перевозке, поскольку в настоящее время действующие нормативные документы не предусматривают комплексную оценку уровня безопасности функционирования железнодорожной системы. Действующие Технические условия размещения и крепления груза в вагонах и контейнерах не позволяют прогнозировать наступление случаев риска при перевозке груза, в связи, с чем необходимо разработать критерии оценки наступления случая риска и на их основе вычислительную процедуру принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига.
Объект исследования: система комплексного анализа уровня безопасности на железнодорожных предприятиях Восточной Сибири.
Предмет исследования: прогнозные факторы, влияющие на безопасность функционирования железнодорожной транспортного системы.
Цель диссертационной работы: разработка методического и программного обеспечения комплексного анализа уровня безопасности функционирования подсистем железнодорожной транспортной системы и проверка его допустимых значений.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести комплексный анализ частных характеристик, определяющих уровень безопасности функционирования железнодорожной транспортной системы;
-
Осуществить декомпозицию исходной проблемы на подпроблемы, а исследуемой системы – на подсистемы;
-
Разработать систему математических моделей уровня безопасности функционирования выделенных подсистем железнодорожного транспорта;
-
Разработать программный комплекс прогнозирования уровня безопасности подсистем железнодорожного транспорта и рассчитать прогнозные значения этого уровня на краткосрочную перспективу;
-
Из расчета зависимости допустимых значений натяжений в креплениях груза от воздействия пространственной системы сил получить формулы для определения величины сдвига груза в плоскости пола вагона;
-
Разработать вычислительную процедуру принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига.
Методами исследования являются методы системного анализа, математического моделирования, регрессионного анализа, современных информационных технологий, основные положения теоретической механики.
Научную новизну диссертации представляют результаты, выносимые на защиту:
-
Впервые проведен комплексный анализ локальных показателей, в совокупности определяющих уровень безопасности железнодорожной транспортной системы и выполнена декомпозиция проблемы безопасности железнодорожной транспортной системы на подпроблемы, подсистемы и задачи, которые классифицированы по значению уровня безопасности;
-
Разработана система регрессионных моделей оценки уровня безопасности железнодорожного транспорта зависящая от числа нарушений в работе транспортных подсистем;
-
Предложена вычислительная процедура принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига, обеспечивающая безопасность функционирования железнодорожной транспортной системы и реализованная в программном комплексе.
Практическое значение. Разработанный на основе системы регрессионных уравнений программный комплекс позволяет проводить краткосрочное и среднесрочное прогнозирование уровня безопасности подсистем железнодорожного транспорта и автоматически составить их рейтинг отказов. Разработанная вычислительная процедура принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига может использоваться для контроля разработанных грузоотправителями Технических условий размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах.
Реализация результатов. Вычислительная процедура принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига принята к использованию службой коммерческой работы в сфере грузо-
вых перевозок, Дирекцией управления движением Восточно-Сибирской филиала ОАО «РЖД» для контроля разработанных грузоотправителями технических условий размещения и крепления грузов на открытом подвижном составе. Усовершенствованная методика расчёта крепления грузов реализована в виде пакета программ для ЭВМ и подтверждена двумя актами внедрения.
Поданы заявки на изобретения: № 2013147190 от 22.10.2013 г. «Способ организации грузовых перевозок на железнодорожном транспорте»; № 2013153692 от 03.12.2013 г. «Ус т р о й с т в о для гашения колебаний в железнодорожном транспортном средстве, выполняющем грузовые перевозки».
Достоверность полученных результатов подтверждена применением общепринятого математического аппарата, проверкой адекватности регрессионных моделей на независимой выборке экспериментальных данных, а также удовлетворительным совпадением полученных результатов с данными других исследователей.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва: МИИТ, 2009, 2010 гг.); Первой Международной научно-практической конференции «Технология, материалы, транспорт и логистика» (Украина: ВСНТУ, 2010 г.); V научно-практической конференции «Проблемы безопасности на транспорте» (Гомель, БелГУТ, 2010); Третьей Международной научно-практической конференции «Безопасность регионов – основа устойчивого развития» (Иркутск: ИрГУПС, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Наука в современном информационном обществе» (Москва, МИИТ: 2013 г.); ХХVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-26» (Ангарск: АГТА, 2013 г.); межвузовской научной конференции «Современные технологии и научно-технический прогресс» (Ангарск: АГТА, 2013 г.); Всероссийской конференции с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск: ИрГУПС, 2009, 2013 гг.); на семинаре кафедры «Прикладная механика» ИрГУПС.
Личный вклад. Все положения, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 29 научных работах, из них 10 – опубликованы единолично, 19 – в соавторстве. В журналах, рекомендуемых ВАК, опубликовано 9 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы, включающего 144 наименования, 180 страниц основного текста, 42 рисунков.
Многоаспектный анализ безопасности железнодорожного транспорта за последние 10 лет
Обеспечение безопасности движения в условиях реформирования ЖДТ [68] остается одной из важнейших задач ОАО «РЖД», решение которой определено в качестве безусловного приоритета и отражено в таких значимых документах, как «Стратегии развития железнодорожного транспорта до 2030 года» и «Фундаментальной стратегии обеспечения гарантированной безопасности», разработанных Министерством транспорта РФ и ОАО «РЖД». В связи с чем цели дальнейшей работы ЖДТ определены как: повышение устойчивости функционирования, его доступности, безопасности и качества предоставляемых им услуг для обеспечения единого экономического пространства страны; формирование единой гармоничной транспортной системы страны; снижение совокупности народнохозяйственных затрат на перевозки грузов; удовлетворение растущего спроса на услуги.
Согласно Генеральной схеме развития сети железных дорог на период до 2020 г., объемы погрузки грузов по минимальному варианту на 2015 г. определены в размере 1370 млн т, грузооборот – 2380 млрд тонно-километров, на 2020 г. – 1590 млн т, и 2720 млрд тонно-километров соответственно, при уровне 2011 года – 1241,5 млн т и 2127,8 млрд тонно-километров, что связано с модернизацией энерго-сырьевого комплекса страны. При этом хочется отметить, что согласно отчетным данным Департамента управления перевозками, являющегося центральным органом управления в ОАО «РЖД», за последние годы объемы перевозок непрерывно росли, что оказывает положительное влияние на экономические показатели работы отрасли, но наряду с ростом общих объемов перевозок грузов увеличилось и количество коммерческих браков [109].
Вышеприведенные документы означают, что политика обеспечения безопасности перевозочного процесса является приоритетным направлением деятельности ЖДТС, что необходимо: для повышения сохранности перевозимых грузов, а значит качества предоставляемых услуг; снижения величины непроизводительных расходов на ликвидацию нарушений безопасности движения. Однако, несмотря на рост грузопотока, состояние дел с обеспечением безопасности в ЖДТС остается тревожным [72].
Основными причинами возникновения чрезвычайных ситуаций на ЖДТ являются увеличение плотности транспортных потоков, отказы технических устройств, большое количество аварий, возникающих по вине человека [24, 118]. На рис. 1.7 представлены основные причины возникновения чрезвычайных ситуаций в ЖДТС.
Транспорт является источником опасности не только для самого себя, но и для населения, проживающего в зонах транспортных магистралей, поскольку по ним перевозится большое количество (около 12% от общего объема грузоперевозок) легковоспламеняющихся, химических, радиоактивных, взрывчатых и других веществ, которые при аварии представляют угрозу жизни и здоровью людей [36]. Поэтому основной задачей ЖДТС является безаварийная и безопасная перевозка грузов и пассажиров.
При организации деятельности ЖДТС необходимо учитывать не только внутренние факторы и взаимодействие всех ее элементов, но и внешние связи с другими отраслями народного хозяйства, а также изучать ее подсистемы как отдельные элементы сложной структуры. Решение данной задачи требует применения методологии системного анализа, разработки методов и моделей, которые могут обеспечивать анализ сложных проблем в текущем времени и прогнозировать ситуации на различных его этапах.
Согласно данным о состоянии безопасности на железных дорогах России за 2011-12 гг. [72] (табл. 1.1), практически каждый пятый случай брака в поездной и маневровой работе на сети железных дорог происходит из-за низкого качества ремонта вагонов и технического обслуживания поездов в пунктах технического обслуживания.
Вследствие нарушения технологии ремонта в 2012 году более 406,3 тыс. вагонов не проработали шести месяцев после деповского ремонта и одного года после капитального и были отцеплены на повторный ремонт. Причинами отцепки вагонов послужили: неисправность колесных пар, автотормозного оборудования, деталей тележек, автосцепных устройств вагонов, буксовых узлов, несоответствия нормам зазоров между скользунами, сверхнормативные износы опорных поверхностей боковых рам и корпусов букс. Низкое качество технического обслуживания поездов в пунктах технического осмотра связано с отсутствием запасных частей и необходимых материалов [1]. На 6,2 % допущен рост количества поврежденных вагонов на сортировочных горках станций.
В 2012 году допущен большой процент пропуска вагонов, угрожающих безопасности движения поездов, на другие дороги через пункты коммерческого осмотра. Основным фактором снижения качества осмотра поездов и вагонов послужило сокращение численности работников данных пунктов, увеличение гарантийных плеч и недостаточное техническое оснащение пунктов приборами и средствами, позволяющими надежно обнаруживать неисправности.
На локомотивное хозяйство приходится 34 % от всех случаев браков сети железных дорог. Основными причинами являются: проезд запрещающих сигналов, обрыв автосцепок, сходы при маневровых операциях, столкновения при маневрах, падение деталей локомотива на путь, задержка поездов более 1 часа из-за неисправности локомотива. В последние годы значительно ухудшилось техническое состояние локомотивного парка по причине физического износа, что связано с тем, что в условиях перехода на новую систему хозяйствования обновление основных фондов в ОАО «РЖД» и дочерних компаниях не производится. Так 89 % от общего количества случаев брака составила порча и неисправность локомотивов. Количество внеплановых ремонтов электровозов за два года в целом по сети увеличилось на 7 %. Заходы на внеплановый ремонт в 2012 году допускались в основном из-за повреждений тяговых электродвигателей – 23,5 %; колесных пар – 23,2 %; электроаппаратуры – 23,1 %. Простой электровозов на данном виде ремонта возрос в среднем по сети до 67,8 часа.
По-прежнему в числе основных причин этого неудовлетворительное содержание пути: отступление от норм содержания пути по уровню, отвод ширины колеи – 71%, выбросы пути и неогражденные места путевых работ – по 3,6%, нарушение технологии путевых работ – 5,5%, изломы рельсов и неукрытие остряка стрелочного перевода – по 1,8%, уширение рельсовой колеи – 12,7%. При общем снижении количества случаев брака в хозяйстве пути в рассматриваемом периоде с 889 случаев в 2011 году до 797 в 2013 г., они увеличились по Дальневосточной, Забайкальской и Куйбышевской железным дорогам.
Важной проблемой обеспечения безопасности движения поездов, от решения которой зависит состояние аварийности как в сфере грузовой и коммерческой работы, так и в вагонном хозяйстве, является техническое состояние элементов кузова грузовых вагонов. Существенным фактором является состояние настила пола платформ. Отсутствие или неисправность увя-зочных скоб внутри кузова полувагонов часто приводит к несоблюдению грузоотправителями нормативов крепления грузов, предусмотренных действующими ТУ, в части их достаточности для обеспечения безопасности движения поездов [37, 130].
Неблагоприятная ситуация в сети железных дорог сложилась с перевозкой лесных грузов и техники [109]. Так в 2012 году на пунктах коммерческого осмотра было выявлено 54 % из общего количества обнаруженных вагонов с неисправностями, угрожающими безопасности движения, именно по лесным грузам.
На основе результатов многочисленных исследований состояния и перспектив развития вагонного парка железнодорожного транспорта России можно сделать вывод о том, что в условиях ограниченности инвестиций и развивающейся конкуренции одним из направлений улучшения качества работы транспортных компаний и обеспечения их конкурентоспособности является повышение эффективности использования грузовых вагонов [31].
Классификация факторов, влияющих на безопасность функционирования ЖДТС и ее подсистем
Нормальное функционирование ЖДТС возможно только путем слаженной и оперативной работы групп подсистем: инфраструктуры, коммерческой, грузовой, маневровой и поездной, представляющих собой своеобразные технологические процессы с характерными для каждого из них особенностями. Каждая из подсистем имеет собственную технологию работы, свое техническое оснащение, собственные основные фонды, свой специально подготовленный технический персонал. Общими для всех подсистем и системы в целом являются:
- предмет труда - перевозка грузов (пассажиров);
- цель - получение дохода и прибыли;
- задачи - обеспечение безопасности функционирования с целью снижения непроизводительных расходов, сохранности основных фондов ЖДТС и каждой из ее подсистем.
Все подсистемы объединены между собой внутренними связями и вступают между собой в технические, технологические и финансово-экономические отношения, без чего невозможно нормальное течение перевозочного процесса. Четкой и бесперебойной работы системы, исключения случаев возникновения рисков, достижения цели и решения поставленных задач возможно достичь только путем тесного взаимодействия подсистем между собой, выполнением требований регламентирующих документов, соблюдением норм и нормативов работы (рис. 2.1). С целью выявления наиболее зависимых от наступления случаев риска подсистем рассмотрим деятельность каждой в отдельности.
Коммерческая подсистема осуществляет привлечение клиентов ЖДТ, заключение договоров на перевозку, маркетинговые исследования, финансо вые операции и пр. Данная подсистема не оказывает влияния на свойства безопасности ЖДТС, поскольку не имеет отношения к организации перевозочного процесса, не участвует в нем, а лишь является подготовительным этапом, без которого перевозка не состоится как таковая. В связи с этими факторами данная подсистема в дальнейшем не рассматривается.
Схема железнодорожной транспортной системы Грузовая подсистема – выполнение погрузочно-выгрузочных операций, крепление груза на подвижном составе, предоставление запорных устройств и пр. При этом работники подсистемы обязаны подготавливать грузы для перевозки и грузить их таким образом, чтобы обеспечивалась безопасность перевозочного процесса и маневровой работы, сохранность грузов и подвижного состава в процессе всего перевозочного цикла. Грузовая работа является основным доходообразующим направлением деятельности железных дорог, результаты которой в качестве конечного продукта (работы или услуги) реализуются грузоотправителям, грузополучателям и населению. Для того чтобы быть востребованной в рыночных условиях, грузовой подсистеме необходимо свести к минимуму потери от рисков, связанных с безопасностью, что позволит не только предоставить качественные услуги клиентам и повысить доходы, но и снизить затраты, связанные с утратой груза.
Маневровая подсистема реализуется с помощью комплекса маневровых работ: своевременная и качественная отцепка-прицепка вагонов, их перестановка, сортировочные операции и пр. При этом работники подсистемы обязаны осуществлять маневровые операции таким образом, чтобы обеспечивалась безопасность движения, сохранность грузов и подвижного состава. В данной подсистеме также могут появиться опасные факторы и случаи риска, приводящие к нарушению безопасности из-за ошибок технического персонала, опасных отказов технических средств, нарушения требований нормативных документов.
Поездная подсистема осуществляет свою деятельность с помощью комплекса подсистемы инфраструктуры: подвижной состав, путь, системы энергоснабжения, автоматики, телемеханики и пр. Представляет собой совокупность технических средств, функционально взаимосвязанных и предназначенных для выполнения поездной работы в регламентированных условиях. Здесь также возможно возникновение поражающих факторов по причине опасных отказов технических средств, ошибок работников, несоблюдения нормативной документации.
Подсистема инфраструктуры включает в себя все хозяйства, обеспечивающие перевозочный процесс с помощью предоставления услуг работой основных фондов: путевое развитие, электроснабжение, подвижной состав, системы автоматики и телемеханики, связь, водоснабжение и водоотведение и пр. Бесперебойная работа техники и оборудования, своевременное и качественное проведение ее технического обслуживания и ремонта оказывает непосредственное влияние на обеспечение безопасности в ЖДТС.
Из вышеизложенного видно, что с позиции обеспечения безопасного состояния ЖДТС целесообразно рассматривать четыре подсистемы: инфраструктуры, грузовую, маневровую и поездную, т. е. безопасность работы транспортной системы в целом определяется безопасностью составляющих ее элементов: технологических подсистем, процессов и операций.
На подсистемы, как и на саму ЖДТС, воздействуют внешние и внутренние факторы (рис. 2.2). Внешние факторы приводят к многочисленным жертвам и потерям материальных ценностей, длительным и масштабным экологическим загрязнениям.
К внешним факторам, воздействующим на ЖДТС, относят:
- природные: стихийные бедствия, наводнения, землетрясения, ураганы, оползни и пр.
- технологические: выбросы радиации, утечка опасных продуктов с вредных производств, взрывы реакторов АЭС и пр.
- социальные: политика правительства, террористические акты, девальвации, рост цен на энергоресурсы и другие составляющие транспортной продукции и пр.
Как видно из составляющих внешних факторов, воздействие на данную среду работников ЖДТ невозможно. Для сокращения размеров потерь от воздействия внешних факторов необходимо проводить профилактические мероприятия, направленные на защиту технологических процессов. В связи с этим из дальнейшего рассмотрения исключаем влияние внешних факторов на состояние безопасности функционирования ЖДТС.
Программный комплекс прогнозирования уровня безопасности функционирования ЖДТС
Для выявления факторов, оказывающих существенное влияние на безопасность функционирования ЖДТ, использован программный комплекс автоматизации процесса построения регрессионных моделей (АППРМ) [14, 16-17]. Как уже отмечалось, исследовались восемь подсистем ВосточноСибирской железной дороги: служба движения, дирекция тяги, служба вагонного хозяйства, служба пути, служба автоматики, пассажирская служба, служба грузовой и коммерческой работы, служба электрификации. Результаты проведенного анализа представлены в табл. 3.1. В ней указан рейтинг отказов для соответствующей службы.
Для прогнозирования отказов ЖДТС в среде программирования Delphi разработан программный комплекс автоматизации процесса построения регрессионных моделей (АППРМ) на примере Восточно-Сибирской железной дороги. В него изначально встроены исходные статистические данные по отказам за 2003-2012 годы, а также для каждой службы – регрессионная модель, по которой можно осуществить прогноз. Особенностью комплекса является то, что при появлении новых данных за отчетный период пользователь может легко и удобно перестроить любую модель и получить новые прогнозные значения.
Предлагаемый программный комплекс позволяет получать три типа прогнозов: оптимистичный, пессимистичный и нейтральный. Оптимистичный прогноз показывает динамику отказов при лучшей ситуации, т.е. все негативные факторы при этом считаются минимальными. Пессимистичный прогноз – это когда все негативные факторы полагаются максимальными. Нейтральный же прогноз предполагает, что негативные факторы принимают средние значения относительно максимальных и минимальных. Результаты прогнозирования отказов представлены в табл. 3.2.
Анализ полученных прогнозных значений позволяет руководителям соответствующих служб выработать эффективную политику обеспечения безопасности функционирования ЖДТС.
Как следует из модели, основным из факторов, влияющих на безопасность функционирования ЖДТС, является техническое состояние вагонного парка, которое во многом определяется рациональностью характера расположения груза в вагоне. Это подтверждается и статическими данными.
В данной главе дана оценка безопасности функционирования ЖДТС. Произведена декомпозиция исходной проблемы на подпроблемы и задачи, а исследуемой системы – на подсистемы. Обобщающей характеристикой уровня безопасности подсистем ЖДТС как на федеральном, так и на региональном уровнях будет вектор, компонентами которого является количество на рушений (браков) в деятельности соответствующих служб, произошедших по выявленным причинам.
По результатам деятельности Восточно–Сибирской железной дороги – филиала ОАО «РЖД» за 2003-2012 г.г. построена математическая модель влияния частных показателей типов нарушений на общее состояние уровня безопасности региональной ЖДТС с учетом ее декомпозиции на подсистемы. При этом проводился «конкурс» моделей по отношению к каждой из регрессионных зависимостей.
Для прогнозирования отказов функционирования ЖДТС на языке программирования Delphi разработан программный комплекс, особенностью которого является то, что при появлении новых данных за отчетный период пользователь может легко и удобно перестроить любую модель и получить новые прогнозные значения. Программный комплекс позволяет получать три типа прогнозов: оптимистичный, пессимистичный и нейтральный. Анализ этих прогнозных значений позволяет руководителям соответствующих служб вырабатывать эффективную политику обеспечения безопасности перевозочного процесса. Рассчитаны прогнозные значения уровней на краткосрочную перспективу.
Математическая модель регрессионного типа, взаимоувязывающая частные характеристики безопасности подсистем ЖДТ, а также приведенные в основе разработанного программного комплекса результаты прогнозирования отказов в ЖДТС будущего состояния подсистем железнодорожного транспорта полностью подтверждают предположение о том, что данный уровень связан в первую очередь с ТУ. Как следует из модели одним из факторов, влияющих на безопасность функционирования ЖДТС, является техническое состояние вагонного парка, которое во многом определяется рациональностью характера расположения груза в вагоне. Поэтому заключительная глава диссертационной работы посвящена разработке вычислительной процедуры принятия решения по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига, обеспечивающей безопасность функционирования ЖДТС.
Математическая формализация расчета натяжений в растяжках с учетом возможного сдвига груза под воздействием внешних факторов
Основополагающим условием, обеспечивающим безопасность работы ЖДТС и ее подсистем, является разработка вычислительной процедуры принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига (далее – процедура), позволяющей производить прогноз наступления случаев риска при приеме груза к перевозке. Такая процедура предназначена для вычисления величин пространственной системы сил, воспринимаемых средствами креплений, эквивалентной жёсткости растяжек и величины сдвига груза под воздействием этих сил, вычисления натяжений в креплениях, оформления результатов в виде табличных данных и выполнения обработки полученных результатов, выдачи практических рекомендаций по разработке рациональной технологии крепления груза.
Для разработки вычислительной процедуры предварительно необходимо:
– получить аналитическое решение задачи по критерию допустимого значения натяжений в креплениях груза от воздействия пространственной системы сил путем построения физической и на ее основе математической модели крепления груза в вагоне;
– на основе построенной модели осуществить расчеты креплений в плоской системе сил;
– вывести аналитические формулы для определения величины сдвига груза по направлению действия пространственной системы сил, а также натяжений в креплениях груза.
Разработка вычислительной процедуры проведена на примере крепления груза с плоским основанием, оснащенного грузовыми петлями и перево-87
зимого на открытом подвижном составе при воздействии на систему «вагон – груз – крепления» системы сил. Рассмотрен общий случай, когда груз весом G размещён на полу платформы, движущейся по прямому участку железнодорожного пути, и удерживается от сдвига растяжками и упорными брусками. Схема размещения и крепления груза в вагоне согласно ТУ, принятая за основу при разработке вычислительной процедуры, приведена на рис. 4.1.
На рис. 4.1 приняты следующие обозначения: j и / - индексы, показывающие количество стоечных скоб вагона и растяжек (у =1,пс - количество стоечных скоб, i = \jTp - количество растяжек); 2L, 2Ви 2Н- соответственно длина, ширина и высота груза; at и aai - проекции растяжек одного направления на продольную ось вагона х (api и aapi - то же другого направления); Ъ{ и bai - проекции растяжек одного направления на поперечную ось вагона у {bPi и bapi - то же другого направления); А,-, hai, hpi и hapi - проекции растяжек на вертикальную ось вагона z; /г и lai - длина растяжек одного направления (lPi и lapi - то же другого направления); lwi и lwai - проекции длины растяжек одного направления на поперечную ось вагона у (lwpi и lwapi - то же другого направления); at и aai - углы, которые образуют растяжки с плоскостью пола вагона одного направления (api и aapi - то же другого направления); Д и Раї - углы, которые образуют проекции растяжек (/г#, ІаіН, 1Рін, Іарін) на плоскость пола вагона одного направления с осью х (fipi и j3api - то же другого направления) (#,,-, /30ai, /30pi и p0api - те же углы, только острые). Груз закреплён растяжками к стоечным (увязочным) скобам вагона в точках Ah Aaj, Apj и Aapj, а к его монтажным (грузовым) петлям - в точках Ми MaU Mpi и Марі. Предварительное натяжение растяжек ДО,, считаем заданным (Д0=20кН) [70].
Воздействие подвижного состава при движении будут испытывать только средства креплений. Поскольку груз представляет собой однородное сплошное тело, то его можно рассматривать как материальную точку, вес которой приложен в центре масс, что позволяет воспользоваться основным законом динамики для относительного движения точки, который записывается в виде уравнения [141, 142]:
Mar=F + R + 7e+Tc, (4.1) где М - масса материальной точки (груза); F - активные силы; R - реакции связей; 1е - сила инерции в переносном движении; 1С - кориолисова сила инерции.
При этом пол вагона считаем основной связью, а растяжки и упорные деревянные бруски (при их наличии) - дополнительными связями. Считаем, что внешние связи испытывают воздействия веса груза G, продольной (/eje), поперечной (ley), вертикальной (/и) переносных сил инерции; силы аэродинамического сопротивления Fв. Максимальные нормативные значения продольных переносных ускорений аах = аех равны аех = 0,3g - на прямом участке пути, аех = (0,7-1,2)g - при служебном торможении, аех = (l,2-2)g - при соударениях вагонов на подгорочном парке, а значения вертикальных переносных ускорений аах = aez, появляющихся в результате отклонения норм содержания пути, - aez = (0,46 - 0,66)g. В соответствии с нормами [70] можно принять Iex = 0,3G - на прямом участке пути, 1ех = (1,2 - 2)G - при соударениях вагонов на подгорочном парке и Iez = (0,4 - 0,66)G . Вертикальная переносная сила инерции Iez 0 для движения вагона с грузом при условии ненадлежащего содержания пути.
Платформа движется поступательно со скоростью ve (т.е. юе= 0) с продольными ах = аех и вертикальными ciz = ciez переносными ускорениями, возникающими из-за отклонения норм содержания пути. Растяжки испытывают продольные 1ех = 1Х и вертикальные Iez = Iz переносные силы инерции.
Груз испытывает силу аэродинамического сопротивления Fв. Направление продольной составляющей относительной скорости воздуха Vx = Vв х противоположно движению подвижного состава. Учитываем, что основная связь (рама платформы) - односторонняя, препятствует опусканию груза вниз от плоскости опирания рамы платформы, не препятствуя его движению вверх. Реакцию R внешней связи (шероховатая поверхность) разложим на нормальную N и касательную Fz составляющие, т.е. R=N + FX . Касательная составляющая Fx, направленная по поверхности пола платформы, есть сила трения Fz = Fтрx 5 определяемая согласно закону Кулона. Координаты xR, yR (или xN, yN ) - точки приложения реакции внешней связи R (или N и Fтрx) неизвестны и подлежат определению.
