Повышение безопасности работы железнодорожной транспортной системы на основе автоматизации технологии размещения и крепления груза в вагоне

Список литературы

1. Лысюк, В. С. Управлять надежностью бесстыкового пути [Текст] / В. С. Лысюк // Путь и путевое хозяйство. - 1998. - № 7. - С. 5 - 10.

2. Forman, R. G. Numerical analysis of crack propagation in a cycling loaded structure [Текст] / R. G. Forman, V. E. Keamey, R. M Engle // Journal of Basic Engineering. - 1967. - P. 459 - 464.

3. Прочность рельсов с трещинами [Текст] / Е. А. Шур, Т. Н. Киселева и др. // Вестник ВНИИЖТа. - 1984. - № 2. - С. 48 - 52.

4. Черепанов, Г. П. Механика хрупкого разрушения [Текст] / Г. П. Черепанов. - М.: Наука, 1974.- 640 с.

5. Броек, Д. Основы механики разрушения [Текст] / Д. Броек. - М.: Высшая школа, 1980. -368 с.

6. Тихомиров, В. М. Развитие усталостных трещин смешанного типа в образцах из стали [Текст] / В. М. Тихомиров, П. Г. Суровин // ПМТФ. - 2004. - № 1. - C. 135 - 142.

7. Ахметзянов, М. Х. О механизме развития контактно-усталостных повреждений в рельсах [Текст] / М. Х. Ахметзянов // Вестник ВНИИЖТа. - 2003. - № 2. - С. 41 - 45.

8. Ахметзянов, М. Х. Определение коэффициентов интенсивности напряжений при смешанном типе нагружения трещины [Текст] / М. Х. Ахметзянов, В. М. Тихомиров, П. Г. Суровин // Известия вузов. Строительство. - 2003. - № 1. - С. 19 - 25.

УДК 656.225:65.011.56

В. Е. Гозбенко, В. А. Оленцевич

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ РАЗМЕЩЕНИЯ И КРЕПЛЕНИЯ ГРУЗА В ВАГОНЕ

В статье представлен алгоритм проведения вычислительных экспериментов по определению сдвига груза и натяжений в элементах креплений, позволяющий повысить безопасность функционирования железнодорожной транспортной системы.

На современном этапе развития техники создано и используется огромное количество объектов, систем и комплексов различных физической природы, типа и назначения, которые объединены в класс сложных объектов. Полнота и качество выполнения объектом целевых функций определяется состоянием, в котором он находится, а само состояние характеризуется степенью соответствия параметров объекта определенным областям их значений [1].

Структура железнодорожного транспорта включает в себя филиалы и представительства компании, дочерние и зависимые общества. По видам осуществляемой деятельности филиалы компании подразделяются на филиалы - железные дороги; функциональные филиалы -перевозочные компании; филиалы в области экономического и финансового обеспечения; филиалы в области капитального строительства; филиалы в области ремонта подвижного состава; филиалы в области путевого хозяйства; филиалы в области информатизации и связи; филиалы в области социальной сферы; филиалы - проектные бюро; иные филиалы.

Организационно-технологический комплекс железнодорожного транспорта можно представить также как сеть железных дорог, непосредственно обеспечивающих потребности в перевозках, или как объект, предоставляющий услуги: грузовые и пассажирские перевозки,

110 ИЗВЕСТИЯ Трансс^эа |N; ЦЦ

услуги локомотивной тяги, ремонт подвижного состава, услуги инфраструктуры, социальной сферы и т. д., а также как систему инфраструктуры: железнодорожный путь, искусственные сооружения, станции, локомотивы, вагоны, вагонные депо, пункты технического и коммерческого обслуживания и пр. [2].

Из этого видно, что железнодорожный транспорт представляет собой многоуровневую организационно-техническую структуру и полностью соответствует понятию «система», поскольку не только обладает функционированием, но и имеет собственное поведение, историю, развитие, иерархичность, структурность, взаимодействие с внешней средой и отвечает прочим основным свойствам понятия «система». Нормальное функционирование железнодорожной транспортной системы 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.

Подсистема перевозки грузов является, на наш взгляд, особо сложной, поскольку в ее состав входит большое количество элементов, находящихся между собой и окружающей средой в различных связях. Элементами грузовой подсистемы являются грузы различной номенклатуры и сложности перевозки, большое количество компаний, участвующих в перевозочном процессе, различные типы подвижного состава, необходимого для перевозки груза, системы по предварительной подготовки некоторых родов груза к перевозочному процессу, сроки доставки скоропортящихся грузов и т. д. При этом необходимо принимать во внимание огромную протяженность железнодорожных линий, неравномерность перевозок по времени года и учитывать грузовые перевозки социальной значимости.

Анализ различных технологий доставки грузов показал, что для успешного решения вопросов организации и планирования работы всей железнодорожной транспортной системы необходимо учитывать особенности работы и условия эксплуатации всех участников перевозочного процесса. Подсистема перевозки грузов, являясь в свою очередь сама системой, состоит из большого количества подсистем различного вида и назначения, в которых решаются свои специфические задачи, а следовательно, в них протекают присущие только данной подсистеме закономерности.

Процесс перевозки грузов состоит из последовательности выполнения операций по хранению, креплению, погрузке, транспортировке, разгрузке, других необходимых операций и представляет собой единую систему доставки грузов, основной целью которой является своевременная доставка грузов с минимальными затратами.

В соответствии с поставленной целью системному анализу должны быть подвержены все элементы подсистемы перевозки грузов [3]: погрузочный, перевозочный и разгрузочный процессы.

Погрузочный процесс можно отобразить в виде алгоритма (рисунок 1).

Особенностью железнодорожной транспортной системы и ее подсистем как сложной системы является необходимость ее исследования с использованием методологии системного анализа, принятой для сложных технических объектов. Несмотря на многообразие технических и технологических операций погрузочного процесса проведенный анализ позволил выявить систему показателей, которые с максимальной точностью характеризуют свойства процесса и их взаимосвязь с параметрами и характеристиками технических средств. Выбранные показатели данного производственного процесса должны соответствовать следующим параметрам: составлять наиболее простые соотношения, не усложняющие математическую модель системы; наиболее точно характеризовать требования, предъявляемые к погрузочному процессу; достаточно полно и точно описывать его элементы и состояния; выбираться так, чтобы обеспечить их определение наиболее удобным путем; быть такими, чтобы их можно было при необходимости (на практике) изменять.

Рисунок 1 - Алгоритм погрузочного процесса

На основе изложенных выше критериев определены следующие параметры описания погрузочного процесса: наличие заявки, род груза, тип подвижного состава, параметры груза, складские операции, предварительная подготовка груза, крепление груза, схема размещения и крепления груза.

Перемещение груза связано с пунктами погрузки, пунктами выгрузки и промежуточными пунктами. Подготовка и крепление груза в пункте погрузки, на наш взгляд, является особенно важным элементом подсистемы перевозки грузов, от которого зависит сохранность самого груза, а также безопасность работы всей железнодорожной транспортной системы. Предъявляемый к перевозке груз отправитель должен подготовить таким образом, чтобы в процессе перевозки были обеспечены безопасность движения поездов, сохранность груза и грузового вагона.

Поэтому основополагающим фактором, обеспечивающим безопасность и эффективность работы железнодорожной транспортной системы и ее подсистем, на наш взгляд, является создание автоматизированной системы подготовки технических условий размещения и крепления груза в вагонах и контейнерах. Создание системы направлено на составление эскиза размещения и крепления груза в вагоне, погруженного в соответствии с Техническими условиями [4], определение потребного количества, качества и размеров крепежного материала: упорных и распорных брусков, подкладок, обвязок, растяжек, стоек и т. д., формирование полного пакета перевозочных документов.

112 ИЗВЕСТИЯ Транссйра |№20113)

В настоящее время в работе железнодорожной транспортной системы используются различные программы и системы автоматизации по подготовке технических условий размещения и крепления груза в вагонах и контейнерах, однако все они характеризуются все еще достаточно низкой степенью автоматизации и ограниченными функциональными возможностями. Некоторые из них порой больше похожи на обычные электронные справочники, предоставляющие грузоотправителям необходимую информацию, на основе которой пользователю предлагается решать свои задачи.

Полученные авторами результаты аналитических исследований по определению натяжений в гибких элементах креплений в виде конечных формул дают возможность обосновать рациональную технологию размещения и крепления груза в вагоне. Результаты вычислительных экспериментов по определению параметров крепления груза направлены на усовершенствование методики действующих Технических условий. Обоснование технологии размещения и крепления груза при воздействии пространственной системы сил базируется на методах теоретической механики с применением вычислительной среды МаШсаё.

Алгоритм проведения вычислительных экспериментов по определению сдвига груза и натяжений в элементах креплений включает в себя следующее:

выбор физической модели крепления груза с симметричным расположением центра тяжести относительно осей пересечения вагона;

ввод исходных данных, таких как массовые и геометрические параметры груза, коэффициент трения соприкасающихся поверхностей груза и пола вагона, физико-геометрические параметры гибких элементов креплений (модуль упругости отожженной проволоки креплений, количество нитей, диаметр и проекции длины креплений на координатные оси, которые берут из чертежа с учетом масштаба), натяжение предварительных скруток проволоки элементов крепления;

вычисление пространственной системы сил, воспринимаемой средствами крепления, и ее составляющих как вдоль, так и поперек вагона;

расчет эквивалентной жесткости гибких элементов креплений от воздействия пространственной системы сил и ее составляющих как вдоль, так и поперек вагона. Выполнение статистической обработки полученных табличных данных и анализ полученных результатов;

нахождение сдвига груза по направлениям действия пространственной системы сил и его составляющих как вдоль, так и поперек вагона с учетом направляющего угла. Выполнение статистической обработки полученных табличных данных и анализ полученных результатов;

вычисление натяжений в креплениях от воздействия пространственной системы сил и от ее составляющих как вдоль, так и поперек вагона;

оформление результатов вычислительных экспериментов в виде табличных данных и выполнение статистической обработки полученных табличных данных;

подробный анализ полученных результатов и выдача практических рекомендаций по разработке рациональной технологии крепления груза в вагоне;

обоснование разработки рациональной технологии крепления груза в вагоне результатами вычислительных экспериментов.

Оценку безопасности работы железнодорожной транспортной системы по критерию сдвига груза относительно пола вагона целесообразно произвести построением динамической модели (рисунок 2). Будем рассматривать движение вагона по прямому участку пути при условии, что груз закреплен растяжками к увязочным скобам вагона в точках Л], Ла], Лр] и

Лар] , а к его грузовым петлям - в точках М, Ма1, М р1 и Мар1 . Груз весом О симметрично размещен относительно продольной и поперечной осей симметрии вагона.

На рисунке 2 приняты следующие обозначения: у и / - индексы, показывающие количество стоечных скоб вагона

С 1, По

и растяжек (i = р — количество растяжек); 2L, 2B и 2H — соответственно длина, ширина и высота груза с грузовыми петлями; ai и aai — проекции растяжек на продольную ось вагона х (api и aapi — то же на -ось у); bi и bai — проекции растяжек на поперечную ось вагона у (bpi и bapi — то же - на продольную ось х); hi, hai и hapi — проекции растяжек на вертикальную ось вагона z; l — длина растяжек; a — углы

между элементами креплений с плоскостью пола вагона; b — углы между проекциями элементов креплений на плоскость пола вагона.

Вагон движется поступательно со скоростью ve с продольными ax = aex и вертикальными az = aez ускорениями, возникающими от неровности пути.

Растяжки испытывают продольные Jex = Jx и вертикальные Jez = Jz силы инерции. Груз

испытывает воздействие силы ветра FE. R — реакция внешней связи. Действующие продольные и вертикальные силы воспринимаются парными растяжками.

Обобщающие результаты вычислений сдвига груза и натяжений в креплениях от воздействия пространственной и, как частный случай, плоской системы сил при вариации значений коэффициента продольной динамики вагона представлены в таблице.

Обобщающие результаты вычислений сдвига груза и натяжений

Рисунок 2 - Динамическая модель продольного сдвига груза на платформе

Коэффициент динамики вагона Результирующая сила, кН Эквивалент жесткости, кН/м Сдвиг груза, мм Натяжение в креплениях, кН

1 2 3 4 5 6 7 8 9

k k k д AF сэкв As Ri R2 R3 R4 R5/ R6

AFX сэквх Ах К-пр1 К-пр2 К-пр3 К-пр4 К-пр5

Ау

AFy сэкву Ах1 К-п4 Кп5

Ау1

1,2 0,46 0,66 216,9 4263 51 5,5 7,2 26,9 26,9 32,2/12,6

212,1 4144 50 5,5 7,23 27 27 32,4

11

45,6 X =12,13° 2154 51 4 4 2,2 1,9 6

21

1,15 0,46 0,66 241,75 2371 102 4,7 6,2 23,3 23,4 28/11

236,6 4144 100 4,8 6,2 23,3 23,3 27,9

21

45,6 X =14,0° 2154 104 4 4 2,2 1,9 6

37

114 ИЗВЕСТИЯ Транссиба

Окончание таблицы

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1,1 0,46 0,66 159,8 4250 38 4 5,3 19,8 19,9 23,8/9,3

153,2 4144 36 4 5,2 19,5 19,6 56,73

11

45,6 X =13,37° 2154 37 4 4 2,2 1,9 6

1,05 0,46 0,66 131,9 4219 31 3,4 4,4 16,5 16,5 19,8/7,8

123,8 4144 29 3,2 4,2 15,8 15,8 18,9

11

45,6 X =20,22° 2154 30 4 4 2,2 1,9 6

21

1,0 0,46 0,66 159,8 4250 38 4,1 5,3 19,8 19,9 23,8/9,3

153,2 4144 36 4 5,2 19,5 19,6 23,4

11

45,6 X =23,74° 2154 37 4 4 2,2 1,9 6

21

0,95 0,46 0,66 79,3 3200 20 2,2 2,9 10,7 10,7 12,8/5

64,9 4144 17 1,7 2,2 8,3 8,3 8,3

12

45,6 X =35,07° 2154 16 4 4 2,2 1,9 6

21

0,9 0,46 0,66 57,8 3351 17 1,9 2,4 9,1 9,1 10,9/4,3

35,5 4144 11 0,9 1,2 4,5 4,5 5,4

14

45,6 X =52,1° 2154 8 4 4 2,2 1,9 6

21

0,85 0,46 0,66 50 2337 20 2,1 2,8 10,4 10,2 12,5/4,9

6 4144 2,6 1,6 0,2 0,77 0,77 0,9

20

45,6 X =82,44° 2154 1,4 4 4 2,2 1,9 6

21

0,84 0,46 0,66 45,6 2158 21 2,3 3 11,1 11,2 13,4/5,2

0,16 4144 0 0 0 0 0 0

21

45,6 X =89,8° 2154 0 4 4 2,2 1,9 6

21

В таблице кда, кду и кде - коэффициенты динамики вагона по продольной (0х), поперечной (0у) и вертикальной (0г) осям вагона соответственно; А^ - главный вектор приложенной системы сил, кН; А^х и А^у - проекции главного вектора системы сил на оси 0х и 0у, кН; А - сдвиг груза по направлению действия главного вектора системы сил А^, мм; Я - натяжение (усилие) /-го гибкого упругого элемента крепления (/ = 1, 6), кН;

X - угол между проекцией главного вектора системы сил на пол вагона и осью 0х; сэкв х и сэкв у - эквиваленты жесткости упругих элементов креплений вдоль и поперек вагона;

Ах и Ау - сдвиг груза вдоль и поперек вагона, мм.

В девятом столбце теблицы через дробь приведены значения натяжений в наиболее коротком по длине гибком элементе крепления 16 = 1,812 м.

Анализируя результаты расчетов, приведенных в таблице, отметим, что натяжение в наиболее пологом по длине элементе крепления длиной 15 = 2,66 м (при кд х = 1,2 при кд у = = 0,46 и кд 2 = 0,66) стало меньше (Я5 = 32,2 кН), чем допустимое (44,8 кН). По существующей технологии крепления груза натяжение в наиболее пологом по длине элементе крепления 15 достигало 72,3 кН, что, несомненно, приводило к возникновению вероятности его разрыва. При этом наибольшее значение натяжения в наиболее коротком по длине гибком элементе крепления 16 = 1,812 м, включенном в рекомендуемую технологию крепления груза, не превышает = 12,6 кН.

Установлено также, что значение коэффициентов динамики вагона по продольной оси кд х = 0,84 при кд у = 0,46 и кд г = 0,66 является предельным, поскольку при кд х < 0,5 значение А^х < 0 по причине практического отсутствия сдвига груза вдоль (Ах » 0) вагона. При этом натяжение во всех элементах крепления не превышает 11 кН, что почти в четыре раза меньше, чем допустимое значение.

Таким образом, можно отметить, что по рекомендуемой технологии крепления груза элементы крепления могут выдержать большую нагрузку, на которую рассчитывают крепления в зависимости от веса груза согласно Техническим условиям, например, до нагрузки, превышающей 20 % (точнее - в 72,3/32,2 » 1,2 раза) веса груза.

Полученными результатами вычислительных экспериментов обоснована рациональность рекомендуемой технологии крепления груза по сравнению с существующей. Доказано, что по рекомендуемой технологии крепления груза элементы крепления могут выдержать нагрузку, превышающую 30 % массы груза, что больше, чем рекомендуемое значение согласно Техническим условиям. Математическая модель дает возможность получения в итоговом расчете уменьшенного потребного числа растяжек при условиях эксплуатации, выгодных с точки зрения безопасности (случаи риска). При усложнении условий эксплуатации, влияющих на увеличение возможности возникновения случаев рисков, модель позволяет рассчитать увеличенное число растяжек. Решение в каждом конкретном случае остается за грузоотправителем.

Список литературы

1. Тихий, И. И. Системный подход к проблеме повышения эффективности процессов определения состояния сложных объектов [Текст] / И. И. Тихий, Ю. Ф. Мухопад, В. В. Каш-ковский // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - Иркутск, 2012. -№ 1 (33). - С. 107 - 116.

2. Оленцевич, В. А. Анализ причин нарушения безопасности работы железнодорожной транспортной системы [Текст] / В. А. Оленцевич, В. Е. Гозбенко // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - Иркутск, 2013. - № 1. - С. 87 - 90.

3. Комплексная оптимизация транспортной логистической цепи с учетом взаимодействия ее элементов [Текст] / М. Н. Крипак, А. Н. Иванков и др. // Материалы межвуз. науч.-практ. конф. «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. - Иркутск, 2009. - Ч. 1. - С. 145 - 147.

4. Технические условия размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах [Текст] / МПС России. - М.: Юртранс, 2005. - 543 с.

116 ИЗВЕСТИЯ Транссйра |№,01133)