Оценка надежности проектных альтернатив развития мультимодального транспортного узла Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 656.078.12

Нечипорук Марина Викторовна,

аспирант кафедры «Железнодорожный путь и проектирование железных дорог», ДВГУПС,

тел. 89242051316, e-mail: [email protected] Анисимов Владимир Александрович, д. т. н., доцент, профессор кафедры «Железнодорожный путь и проектирование железных дорог», ДВГУПС,

тел. (4212) 407-115, e-mail: [email protected]

ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ПРОЕКТНЫХ АЛЬТЕРНАТИВ РАЗВИТИЯ МУЛЬТИМОДАЛЬНОГО ТРАНСПОРТНОГО УЗЛА

M. V. Nechiporuk, V. A. Anisimov

EVALUATION OF THE DESIGN ALTERNATIVES FOR THE DEVELOPMENT OF MULTIMODAL TRANSPORT HUB RELIABILITY

Аннотация. В статье приводится математическая модель расчета коэффициента готовности мультимодального транспортного узла к освоению потребных объёмов перевозок на расчетный период, которая позволяет оценить проектные альтернативы развития МТУ с позиций надежности функционирования его объектов при заданных объёмах перевозок и возможных мероприятиях по изменению облика и мощности узла, включенных в проектную альтернативу.

Ключевые слова: мультимодальный транспортный узел (МТУ), надёжность технической системы, работоспособность транспортной системы, отказ, коэффициент готовности.

Abstract. This article has mathematical calculation model of multimodal transport node preparedness ratio for required transit volume on the calculated period, which allows to assess the design alternatives for the development of multimodal transport node from the position of its operated objects reliability with adjusted transit volume and possible measures of changing node power and form, that are included in design alternative.

Keywords: multimodal transport hub (MTH), reliability of the technical system, efficiency of the transport system, failure, preparedness ratio.

Мультимодальные транспортные узлы (МТУ) играют исключительную роль в работе транспортной сети. В них осуществляется взаимодействие разных видов транспорта, существенно влияющее на эффективность мультимодальных перевозок. Под термином «мультимодальный транспортный узел» будем понимать техническую систему, объединяющую в себе технологически связанные между собой объекты разных видов транспорта, обеспечивающие перевозку грузов и пассажиров [1].

Бесперебойное и эффективное функционирование мультимодального транспортного узла, который является сложной технической системой, в первую очередь зависит от надежности работы его объектов.

Под надёжностью технической системы и её элементов понимается их свойство сохранять во времени в установленных пределах значения параметров, характеризующих способность элементов системы выполнять требуемые функции в заданных условиях эксплуатации и технического обслуживания [2, 3, 4].

На надежность функционирования МТУ оказывают влияние следующие факторы:

- техническое состояние объектов МТУ; параметры технологических процессов

функционирования объектов МТУ;

- интенсивность и плотность транспортного

потока;

- отказы постоянных устройств и сооружений, подвижного состава;

- взаимосвязи и взаимодействие объектов МТУ: отказы на одном из объектов узла оказывают влияние на работу других;

- информационное обеспечение перевозочного процесса - автоматизация сложных процессов (АСУ различных уровней);

- мероприятия по текущему содержанию постоянных устройств и сооружений, изменению технического состояния объектов МТУ;

- человеческий фактор в управлении процессами функционирования объектов МТУ - несоблюдение технических и технологических норм;

- факторы внешней среды: природно-климатические, политические, экономические, социальные.

Вышеперечисленные факторы указывают на многомерность объектов МТУ и сложность управления их надежностью, например, задержка в разгрузке подач, вызванная отказом технических средств порта или несвоевременным прибытием судов, вызывает необходимость размещения на раздельных пунктах задержанных или «брошенных» поездов, для которых требуются дополнительные (резервные) пути, а для их отправления -резервные нитки графика, т. е. резерв пропускной способности.

Как одно из основных свойств системы в теории надежности выделяют безотказность и работоспособность системы. Под термином

Транспорт

ш

«безотказность» понимается свойство системы непрерывно сохранять свою работоспособность. Работоспособность транспортной системы -

это способность обеспечивать регулярный прием транспортного потока на входе (по мере поступления потока, а при его отсутствии - сохранять готовность к его приему) и, функционируя в соответствии с установленной технологией, непрерывно отправлять поток из системы или сохранять соответствующую готовность к его отправлению [4].

Надёжность функционирования системы, её подсистем и элементов тесно связана с понятием «отказ» [3]. Под отказом понимается событие, заключающееся в нарушении работоспособности объектов МТУ и их элементов.

В теории надёжности различают следующие отказы [4]: полный, частичный, внезапный, постепенный, независимый, зависимый, производственный, конструкционный, сбой, перемежающийся и эксплуатационный. Рассмотрим подробнее полные и частичные отказы в работе объектов и элементов МТУ.

Под полным понимают такой отказ, при котором использование объекта по назначению невозможно до восстановления его работоспособности [4]. Применительно к МТУ это могут быть отказы подвижного состава, постоянных устройств и сооружений, технических средств, грубые нарушения технических и технологических норм в эксплуатационной работе, в результате которых происходят перерывы в работе объектов МТУ, вызывающие нерегламентированные остановки движения и непроизводительные простои подвижного состава на объектах МТУ.

Частичным является отказ, после возникновения которого использование объекта по назначению возможно, но при этом значения одного или нескольких его параметров выходят за допустимые пределы [4]. К таким отказам относят нерегламентированные ограничения скорости движения подвижного состава.

По природе возникновения отказы можно разделить [4]:

— I-

на отказы постоянных устройств и сооружений, технических средств, которые связаны с поломками и ухудшением параметров работы элементов системы, вызванные естественными процессами накопления износных и усталостных повреждений и расстройств или воздействием на них сил внешней среды, непредусмотренных условиями эксплуатации (природно-климатические катаклизмы);

- организационно-технологические отказы, возникающие по причине нарушения нормативов

технологических процессов, отсутствия резервов пропускной и перерабатывающей способности объектов МТУ, недостаточной емкости путевого развития раздельных пунктов, грузовых фронтов и складов.

С целью уменьшения негативных последствий отказов и обеспечения потребной провозной способности объектов МТУ для повышения их надежности используется резервирование - метод повышения надежности объекта введением избыточности. Под избыточностью понимаются дополнительные устройства и средства (пути, склады, погрузочно-разгрузочные механизмы и др.) или возможности (резервы времени, провозной, пропускной, перерабатывающей способностей) сверх минимально необходимых для выполнения системой заданных функций [4]. Выделяют следующие виды резервирования [3]: ресурсное, структурное, временное.

Ресурсное резервирование заключается в обеспечении системы резервами материальных ресурсов (топливо, рельсы, стрелочные переводы, шпалы, брусья, щебень, запасные части, другие материалы) и технических средств (вагоны, тепловозы, электровозы, а также машины, механизмы и прочее оборудование, используемое для содержания и ремонтов подвижного состава, постоянных устройств и сооружений).

Применение структурного резервирования состоит в обеспечении избыточности структурных элементов системы: приемоотправочных, сортировочных и других путей на станции и в порту.

Наибольший интерес представляет временное резервирование, которое играет важную роль при повышении надежности системы, предусматривающее использование избыточности времени, необходимого на проведение планово-предупредительных ремонтов и мероприятий по развитию, модернизации и реконструкции её устройств и сооружений Т(М), устранение последствий отказов и восстановление работоспособности её объектов и элементов Т(отк) в расчетном отрезке времени Т . Отношение этого резерва времени к расчетному в теории надежности называют коэффициентом избыточности времени или коэффициентом резерва [4]

Т (М )

Кр(м)

К

р(отк)

Т (отк)

Т„

(1)

(2)

Оставшаяся доля расчетного отрезка времени, в течение которого система находится в работоспособном состоянии, в теории надежности характеризуется коэффициентом готовности [3]

К = ^, (3)

Расчетный период времени для определения коэффициента готовности объекта МТУ согласно [3] можно представить следующими временными

отрезками (рис. 2): То(Ып), То(М) и Т°т, где

о е{к0, \, к2, PS, GP} .

где Т б = Тр - (Т(М) + Т(отк)) - время, в течение которого система находится в состоянии работоспособности.

Рассмотрим определение коэффициента готовности МТУ к освоению потребного объёма перевозок на расчетный период времени Тр .

На рис. 1 приведена модель процесса обработки в МТУ /-го грузового поезда при непакетном парном графике движения поездов на однопутной линии (р1, р2 ,...рк - подачи вагонов на грузовые фронты). Во времени данный процесс состоит из следующих состояний объектов МТУ:

- перевозочная работа - пропуск поезда по подходам при следовании в порт и обратно -

ТЧ + Тк0?,? е {0,1,2};

- сортировочная работа - обработка поездного состава на сортировочной и припортовой станциях при следовании поезда в порт и обрат-

Л T7SS , T7SS гггР^ . гг<РЗ . но - ТИ + То1 , ТИ +Тр ;

То (Nn ) То (М ) грО Т нп

TO (Nn) TO (Nп)

погрузочно-выгрузочные, таможенная и др. работы - обработка груза и вагонов на путях

тОР

грузового порта - Т .

Рис. 2. Структура расчетного периода времени для определения коэффициента готовности объекта МТУ

То (N ) - время, в течение которого на объекте выполняется работа по освоению потребного объема перевозок. Оно состоит из нормативного времени, определяемого по графикам движения поездов, технологическим графикам обработки составов, вагонов, судов (см. рис. 1)

N

Th (Nn) = jn(Tt; + Т^); (4)

¿=1

N , ч

TS(N) = £(Т* + Т** ) ; (5)

¿=1

Nn ,

TP\Nn) = £(Ttf + TP*); (6)

¿=i

Nn

tG (Nn)=£т£ i, (7)

¿=1

Объект МТУ

SS

hi

PS

GP

Tt i

T o i

Th°t i

T\ i

Th2 Th1 ■

T o i T o i

Рис. 1. Модель процесса функционирования МТУ для обработки ¿-го поезда

h

Lt

h

T

T

T

Th2

h

T

Транспорт

ш

и сверхнормативного времени ТО (Ып), т. е. резерва времени, необходимого для устранения последствий отказов и восстановления работоспособности объекта МТУ. Оно зависит от размеров перевозок, технического состояния объектов и характеризует влияние отказов в их работе на процесс перевозок.

Т° (М) - суммарная продолжительность технологических «окон» на объекте МТУ. Зависит от объёма работ по текущему содержанию, планово-предупредительным ремонтам, модернизации и реконструкции постоянных устройств и сооружений объекта.

Т°нп представляет собой суммарное время бездействия объекта. В него входят все перерывы в его работе, связанные с отсутствием поездов и судов, подач вагонов, т. е. непроизводительный простой. Во время этого простоя возможны технические отказы устройств и сооружений, однако их влияние на процесс перевозок проявляется только при выполнении на объекте операций с подвижным составом и грузом: пропуск, приём, отправление, формирование и расформирование поездов, подача и уборка вагонов к погрузочно-выгрузочным пунктам, швартовка и отправление судов, погрузка, выгрузка, перегрузка и сортировка грузов, техническое обслуживание подвижного состава, смена локомотивов и локомотивных бригад. В связи с этим данный отрезок расчетного периода при определении коэффициента готовности объекта МТУ можно не учитывать.

x То (мп)+т° (и))

тт° __

К — -^Т"

г Тр

г—1

(8)

£Тн° (Мп)+то (и)+то (Мп))

где тр - расчетный период времени, года; Т° (Мп) -

нормируемое потребное время для выполнения заданного объема перевозочной работы объектом в ^м году, сутки; Т° (и) - потребное время для предоставления перерывов (технологических «окон») в работе объекта, связанных с выполнением мероприятий по изменению его облика и мощности, включенных в проектную альтернативу в ^м году, сутки; Т° (Мп) - резерв времени, отведенный на устранение последствий отказов и восстановление работоспособности объекта в ^м году, сутки.

При этом должно выполняться следующее условие:

т" (Мп )+Т" (Мп )+Т"* (и) < 365 . (9)

В работе [3] в виде графа с мостиковой структурой предложена модель для расчета коэффициента готовности региональной сети железных дорог от Тайшета до Хабаровска. Преобразуя ее, выделим в данной модели два мультимодальных транспортных узла - Ванинско-Совгаванский МТУ и Уссурийский МТУ (рис. 3).

Рассмотрим определение коэффициента готовности МТУ на примере Ванинско-Совгаванс-кого мультимодального узла. Модель МТУ для расчета коэффициента его готовности представим в виде графа (рис. 4), на котором обозначим: - звенья:

1 - приемо-отправочный парк ст. Токи;

2 - сортировочная горка;

3 - сортировочно-отправочный парк ст. Токи;

4, 5, 6, 8, 11, 13, 15 - железнодорожные подходы (соединительные пути);

7 - приемо-отправочный парк «Трансбункер - Ва-нино»;

г—1

Тында Новый Ургал Комсомольск

Бамовская Известковая Хабаровск

Рис. 3. Расчетная модель РСЖД Дальнего Востока

Терминал ЗАО «Дальтрансуголь»

Терминал ООО «Трансбункер»

ПОП "—' -—' ПОП

Сов.Гав.-сорт. Сов.Гав. город

Рис. 4. Расчетная модель Ванинско-Совгаванского мультимодального транспортного узла

9 - сортировочный парк ст. Ванино;

10 - приемо-отправочный парк ст. Ванино; 12 - приемо-отправочный парк Новый Район;

14 - приемо-отправочный парк ст. Сов. Гавань-Сортировочная;

16 - приемо-отправочный парк ст. Сов. Гавань-Город;

- узлы:

1, 2, 3, 4, 7, 8, 9, 11, 12, 13 - стрелочные горловины парков;

5 - терминал ЗАО «Дальтрансуголь»;

6 - терминал ООО «Трансбункер»; 10 - порт Ванино;

14 - порт Сов. Гавань.

Используя формулу (8), рассчитаем для каждой подсистемы МТУ (стрелочных горловин, парков, сортировочных и грузовых устройств, терминалов и подходов) коэффициенты их готовности к освоению потребного объёма перевозок. Для упрощения примем расчетный период времени T , равный суткам, тогда расчеты времени

То (Nn ) и То (М ) можно будет вести в мин.

Детально рассмотрим определение К° при-емо-отправочного парка станции Токи. Исходные данные для расчета нормативного времени занятия путей парка приёмом, отправлением, формированием и расформированием поездов T° {Ып) приведены в табл. 1, где 384 мин - время занятия путей парка пассажирскими и сборными поездами.

Суммарную продолжительность технологических «окон» Т° (М) примем в соответствии с [5], для путей парка - 75 мин.

Сверхнормативное время Т°(Мп), т. е. резерв времени, необходимый для устранения последствий отказов и восстановления работоспособности парка, определим из [5] по коэффициентам, учитывающим влияние отказов постоянных технических устройств и подвижного состава на

работу подсистемы, как долю от 7° (Ып ).

Расчеты коэффициентов готовности для каждой подсистемы Ванинско-Совгаванского МТУ сведем в таблицу 2.

Т а б л и ц а 1

Исходные данные для расчета T° (Ып) приемо-отправочного парка станции Токи

Направление движения Число грузовых поездов Время занятия пути грузовым поездом (без сборных), мин ПИС (в т. ч. nVuz) Пс6 , nycKop

Четное направление

Высокогорная - Токи (расформ.) 8 80 4 1

Нечетное направление

Сов. Гавань-Сорт - Токи (расформ.) 2 93 4 -

Ванино - Токи (передат. поезда) 15 93 - -

Ванино - Новый Район - Токи (передат. поезда) 7 93 - -

Токи- Высокогорная (с/форм.) 8 28 4 1

TO (Nи ) = 8 • 80 + 2 • 93 +15 • 93 + 7 • 93 + 8 • 28 + 384 = 3480

Т а б л и ц а 2

Расчет коэффициента готовности для объектов Ванинско-Совгаванского мультимодального ___транспортного узла ____

Объект МТУ Условное обозначение Общее время занятия путей парка операциями, зависящими от размеров движения, мин Время выполнения постоянных операций, мин то N), мин То (М), мин т: N), мин ко

ПОП ст. Токи 21 3096 384 3480 75 155 0,95827

Сортировочная горка 22 1274 290 1564 35 51 0,96911

СОП ст. Токи гз 1296 40 1336 75 65 0,95609

Ж/д подход 24 756 30 786 30 8 0,99082

Ж/д подход г5 756 30 786 30 8 0,99082

Ж/д подход гб 432 30 462 30 4 0,99129

ПОП «Трансбункер» г7 1020 174 1194 75 51 0,96136

Ж/д подход г8 308 30 338 30 3 0,99170

СП Ванино г9 1810 40 1850 75 91 0,95509

ПОП Ванино гю 5149 805 5954 75 258 0,95904

Ж/д подход ги 200 30 230 30 2 0,99236

ПОП Новый Район г12 4008 405 4413 75 200 0,95725

Ж/д подход г13 160 30 190 30 2 0,99278

ПОП Сов. Гав.-Сорт. г14 2288 345 2633 75 114 0,95946

Ж/д подход г15 488 30 518 30 5 0,99117

ПОП Сов. Гав.-Гор. г1б 1668 245 1913 75 83 0,95973

Стрел. горловина № 1 У1 219 27 246 20 2 0,99183

Стрел. горловина № 2 У2 913 5 918 20 9 0,99036

Стрел. горловина № 3 У3 210 5 215 20 2 0,99114

Стрел. горловина № 4 У4 411 12 423 20 4 0,99080

Терминал ЗАО «Дальтрансуголь» У5 1272 280 1552 75 64 0,96238

Терминал ООО «Трансбункер» У6 303 162 465 75 15 0,97271

Стрел. горловина № 5 У7 588 5 593 20 6 0,99049

Стрел. горловина № 6 У8 208 5 213 20 2 0,99115

Стрел. горловина № 7 У9 842 5 847 20 8 0,99038

Порт Ванино У10 720 140 860 75 36 0,96292

Стрел. горловина № 8 У11 164 15 179 20 2 0,99182

Стрел. горловина № 9 У12 186 18 204 20 2 0,99176

Стрел. горловина № 10 У13 162 15 177 20 2 0,99184

Порт Сов. Гавань У14 480 120 600 75 24 0,96566

Коэффициент готовности МТУ к освоению потребного объёма перевозок определим по направлениям:

- Токи - порт Ванино

кМТУ = 4 (1 - (1 - к1Л - к 2 к 3 Ж2 к 4 к зу к 5 кау (1 - (1 - к 8 Л - к 9 Ж к 1 °к 8 к11к9у к \ 2к\° = 0,80497.

- Токи - терминал «Дальтрансуголь»

кМУ = к1 (1 -(1 - к ] Л - к 2 КЗ Ж 2 к 6 К5 = 0,93422.

- Токи - терминал «Трансбункер»

КМТУ = К1 (1 - (1 - К1Л - К2 КЗ Ж2 К4 К3 К7 Кб = 0,89929.

- Токи - порт Сов. Гавань

КМТУ = к у 1 -1 - к1V1 - к1к1 ж у к1к уК 1к у1 -1 - к1 Д1 - к1 ж у к1 к уК 1 к уК 1 к у к1 к у к1 к у •

• к16 к у4 = 0,74552.

1 у '

Заключение

Применение предлагаемой авторами математической модели расчета коэффициента готовности мультимодального транспортного узла к освоению потребных объёмов перевозок на расчетный период позволяет оценить проектные альтернативы развития МТУ с позиций надежности функционирования его объектов при заданных объёмах перевозок и возможных мероприятиях по изменению облика и мощности узла, включенных в проектную альтернативу. Данный показатель надежности включен авторами в сбалансированную систему показателей (ССП) [6], которая используется для комплексной оценки стратегических инициатив развития МТУ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Анисимов Вл. А. Нечипорук М.В. Модель взаимодействия железнодорожного и морского транспорта для повышения эффективности мультимодальных

перевозок // Изв. Петербург. ун-та путей сообщ. 2014. № 3. С. 9-15.

2. Надежность технических систем и техногенный риск / В.А. Акимов и др. М. : Деловой экспресс, 2002 368 с.

3. Анисимов В.А. Теория и практика проектирования развития региональной сети железных дорог с учетом изменения облика и мощности станций и узлов : дисс. ... д-ра техн. наук : 05.22.03 / В.А. Анисимов. Хабаровск, 2005. 380 с.

4. Грунтов П.С. Эксплуатационная надежность станций. М. : Транспорт, 1986. 247 с.

5. Инструкция по расчету наличной пропускной способности железных дорог : утв. ОАО «РЖД» от 10.11.2010 № 128. Москва, 2010. 231 с.

6. Нечипорук М.В., Анисимов В.А. К вопросу использования сбалансированной системы показателей при моделировании взаимодействия железнодорожного и морского транспорта в мультимодальном транспортном узле // Транспорт Урала. 2014. № 3. С. 13-17.

УДК 621.33 Васильев Антон Александрович,

заместитель начальника моторвагонного депо Иркутск-Сортировочный, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8-902-5-103-115, e-mail: [email protected]

АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ВОСТОЧНО-СИБИРСКОГО РЕГИОНА

A. A. Vasilev

RELIABILITY ANALYSIS OF AUXILIARY ELECTRIC TRAINS ELECTRIC CARS

OF THE EAST-SIBERIAN REGION

Аннотация. С целью совершенствования технологии деповского ремонта электродвигателей электропоездов автором проведен анализ надежности вспомогательных электрических машин моторвагонного подвижного состава на ВосточноСибирском полигоне. На их долю приходится большая часть отказов электродвигателей. В процессе эксплуатации вспомогательные электрические машины подвержены постоянному воздействию механических, тепловых, климатических и электромагнитных факторов, причем на электропоезде эти факторы оказывают комплексное воздействие. Анализ полученной информации технического состояния моторвагонного подвижного состава предопределил поиск новых методов и средств повышения ресурса вспомогательных электрических машин. Существующая технология ремонта и восстановления изоляции вспомогательных электрических машин на деповском уровне не решает проблему выхода из строя изоляции лобовой части обмоток статора и якоря. Вспомогательные электрические машины в полном объеме не исчерпывают свой ресурс эксплуатации до очередного планово-предупредительного ремонта, как при выполнении деповского текущего ремонта ТР-3.

Ключевые слова: вспомогательная электрическая машина П-31, АОМ-32-4, изоляция, капсулирование, диаграмма Па-

рето.

Abstract. With the aim of improving the technology of electric motors depot repair the author carried out the analysis of the multiple unit auxiliary electric cars reliability on the East-Siberian polygon. They are accounted for a large part of the failures of electric motors. During operation the auxiliary electrical machines are subject to constant exposure to mechanical, thermal, climatic and electromagnetic factors, these factors having a complex effect on electric trains. The analysis of the multiple unit technical condition determined the search for new methods and means of increasing auxiliary electric machines resource. The existing technology of auxiliary electric vehicles isolation repair and restoration at depot level does not solve the problem of failure of the insulation of the frontal part of the windings of the stator and armature. Auxiliary electrical machines in full do not exhaust their operation resource until the next scheduled preventive maintenance, as in the performance of depot TR-3 current repair.

Keywords: auxiliary electrical machine P-31, AOM-32-4, isolation, encapsulation, Pareto chart.

Введение

Вспомогательные электрические машины (ВЭМ) являются одной из нагруженных частей электропоезда. На их долю приходится большая

часть отказов. В процессе эксплуатации вспомогательные электрические машины подвержены постоянному воздействию механических, тепловых, климатических и электромагнитных факторов,