Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ТРАНСПОРТУ ТА ЗВ'ЯЗКУ УКРАЇНИ

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення ефективності сортувального процесу на станціях шляхом оптимізації режимів розформування составів на гірках

05.22.20 - експлуатація та ремонт засобів транспорту

Кудряшов Андрій Вадимович

Дніпропетровськ 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі "Станції та вузли" Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв'язку України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Бобровський Володимир Ілліч, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, завідувач кафедри "Станції та вузли"

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Ломотько Денис Вікторович, Українська державна академія залізничного транспорту, проректор з наукової роботи

кандидат технічних наук, Остапець Денис Олександрович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, доцент кафедри "Електронно-обчислювальні машини"

Захист відбудеться "28" жовтня 2010 р. о 13⁰⁰ год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.820.02 при Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна за адресою: 49010, м. Дніпропетровськ, вул. акад. Лазаряна, 2, к.314, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна за адресою: 49010, м. Дніпропетровськ, вул. акад. Лазаряна, 2.

Автореферат розісланий "27 " вересня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т. н., професор І.В. Жуковицький

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В сучасних умовах функціонування залізничного транспорту України існує тенденція до концентрації сортувальної роботи на крупних сортувальних станціях. В зв'язку з цим зростає важливість проблеми підвищення ефективності функціонування сортувальних гірок на таких станціях з метою збільшення переробної здатності та забезпечення необхідної якості сортувального процесу.

Основним шляхом вирішення вказаної проблеми є комплексна механізація і автоматизація процесів розформування составів на сортувальних гірках. Створення сучасної автоматизованої системи керування сортувальним процесом дозволить підвищити продуктивність гірок та якість сортувального процесу, скоротити простій вагонів на сортувальних станціях. Крім того, автоматизація сортувальних гірок сприятиме подальшому поліпшенню економічних показників роботи станцій, зниженню собівартості переробки вагонів.

В даний час ведуться роботи зі створення автоматизованих систем керування сортувальним процесом на гірках. При цьому найбільш відповідальною і складною задачею, що забезпечує ефективність та якість керування сортувальним процесом, є визначення раціональних режимів розформування составів. Вказані режими повинні встановлювати необхідні швидкості скочування відчепів, реалізація яких дозволить забезпечити максимальні інтервали на стрілках між усіма парами відчепів і, таким чином, мінімізувати ймовірність їх нерозділень при умові виконання вимог прицільного регулювання. Визначення раціональних режимів розформування составів є складною оптимізаційною задачею, що не отримала остаточного вирішення і в даний час. У зв'язку з цим тема дисертації, що присвячена підвищенню ефективності сортувального процесу на станціях за рахунок оптимізації режимів розформування составів на гірках, є досить актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності з пріоритетними напрямками розвитку, що визначені у Державній цільовій програмі реформування залізничного транспорту (постанова Кабінету Міністрів України від 16.12.2009 №1390), а також пов'язана з НДР, що виконані Дніпропетровським національним університетом залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна: "Розробка методики оптимізації режимів гальмування відчепів на сортувальних гірках" (№ ДР 0105U001801) та "Теоретичні дослідження, розробка методів та технологічних алгоритмів керування процесом розформування составів на сортувальних гірках" (№ ДР 0107U001827), у яких автор брав участь у якості виконавця та співавтора звітів.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності та якості сортувального процесу на станціях за рахунок оптимізації режимів розформування составів на гірках. Реалізація визначених режимів сприятиме зменшенню ймовірності нерозділень відчепів на стрілках і, відповідно, обсягів маневрової роботи з ліквідації їх наслідків, а також скороченню кількості та довжині вікон на сортувальних коліях. В кінцевому результаті це дозволить підвищити продуктивність гірок, скоротити витрати енергоресурсів та зменшити простій вагонів на сортувальних станціях.

Для досягнення зазначеної мети в дисертації поставлено і вирішено наступні задачі:

- аналіз сучасних напрямків підвищення ефективності процесу розформування составів;

- удосконалення імітаційної моделі скочування відчепів з гірки;

- дослідження та визначення допустимих швидкостей виходу відчепів з гальмівних позицій (ГП);

- розробка методики визначення раціонального режиму гальмування керованого відчепу розрахункової групи;

- аналіз імовірнісних характеристик процесу багатократних розділень відчепів на стрілках сортувальних гірок діючих станцій;

- розробка метода оптимізації режиму розформування составу з урахуванням розділення несуміжних відчепів;

- оцінка ефективності метода оптимізації на основі імітаційного моделювання процесу розформування потоку составів.

Об'єктом дослідження є процес розформування составів на сортувальних гірках.

Предмет дослідження - режими інтервального регулювання швидкості відчепів составу.

Методи дослідження. Методи теорії ймовірності, математичної статистики та регресійного аналізу використані для визначення ймовірностей багатократних розділень на стрілках відчепів состава та дослідження їх зв'язку з числом відчепів в составі.

Чисельні методи вирішення диференційних рівнянь та методи імітаційного моделювання були використані при дослідженнях впливу режимів гальмування на величину інтервалів між відчепами при їх скочуванні з сортувальної гірки та розробці методу пошуку оптимальних режимів гальмування відчепів составу.

Методи оптимізації були використані для визначення оптимальних режимів розформування составів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Вперше отримані імовірнісні характеристики процесу багатократних розділень відчепів составу на розділових стрілках гіркових горловин різної конструкції, які підтверджують необхідність урахування розділень несуміжних відчепів при оптимізації режиму розформування составу з метою підвищення їх надійності.

2. Вперше задачу оптимізації режиму розформування составу формалізовано та вирішено як багатокритеріальну задачу з однорідними критеріями. Це дозволило на основі системного підходу максимізувати інтервали між відчепами составу з урахуванням їх багатократних розділень і за рахунок цього підвищити якість сортувального процесу на гірках.

3. Удосконалено метод оптимізації режиму гальмування відчепів, який на відміну від існуючих, враховує інтервали на стрілках з усіма іншими відчепами составу, що мають з ним розділення і розглядаються як об'єднаний кортеж відчепів. Метод дозволяє раціонально розподілити існуючий ресурс часу між всіма інтервалами в кортежі і використовується при оптимізації режиму розформування всього составу.

4. Удосконалено математичну модель скочування відчепів з гірки, яка на відміну від існуючої, дозволяє керувати вибором зони гальмування відчепу, в тому числі, при низьких швидкостях виходу з гальмівних позицій. Це дозволило врахувати реальні умови гальмування відчепів та підвищити точність розрахунків інтервалів між відчепами составу на розділових елементах.

Практичне значення отриманих результатів. Наукові результаті, отримані у дисертаційній роботі, а також розроблені моделі та методи можуть бути використані при створенні автоматизованої системи керування процесом розформування составів на сортувальних гірках, а також для оцінки якості конструкції сортувальних гірок, що проектуються.

Розроблено програмне забезпечення, що дозволяє вирішити задачу оптимізації режиму інтервального регулювання для составів, що розформовуються; рішення задачі здійснюється з використанням імітаційного моделювання процесу розпуску.

Запропоноване удосконалення методики імітаційного моделювання скочування відчепів з гірки реалізовано у комп'ютерній програмі "Скатывание одиночного отцепа" (Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір №30170).

Результати роботи використовуються у навчальному процесі при підготовці спеціалістів та магістрів зі спеціальності "Організація перевезень та управління на залізничному транспорті” в дисциплінах "Автоматизація проектування залізничних станцій”, "Розрахунок та проектування сортувальних пристроїв на станціях”.

Практичне впровадження результатів роботи підтверджується відповідними документами, що наведені у додатках до дисертації.

Особистий внесок здобувача. Всі результати теоретичних та експериментальних досліджень, наведені в роботі, отримані автором самостійно.

Стаття [6] опублікована одноосібно. В роботах, опублікованих у співавторстві, особистий внесок автора полягає у наступному. В роботі [1] удосконалено методику моделювання руху відчепів з низькими швидкостями. В статті [2] розроблено методику розрахунку ймовірностей розділення на стрілках несуміжних відчепів состава. В статті [3] розроблено методику визначення кількості розділень на стрілках відчепів составів, що розформовуються на сортувальних гірках з будь-якою конструкцією. В статті [4] удосконалено модель процесу скочування відчепів з регульованою зоною гальмування та досліджено вплив параметрів режиму гальмування на тривалість їх скочування. В статті [5] досліджено діючі обмеження режимів гальмування відчепів на гірках. В статті [7] виконано імітаційне моделювання розформування потоку составів та аналіз якості отриманих показників сортувального процесу. В статті [8] запропоновано новий критерій оптимізації режиму розформування составів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та були схвалені на 67-й, 68-й, 69-й та 70-й науково-практичних конференціях "Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту" (Дніпропетровськ, ДНУЗТ, 2007, 2008, 2009, 2010 рр.); на IV-й міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем в умовах реформування залізничного транспорту: управління, економіка і технології" (Київ, ДЕТУТ, 2008 р.); на II-й та III-й міжнародних науково-практичних конференціях "Сучасні інформаційні технології на транспорті, в промисловості та освіті" (Дніпропетровськ, ДНУЗТ, 2008, 2009 рр.); на міжнародній науково-практичній конференції "Транспортні зв'язки. Проблеми и перспективи" (Дніпропетровськ, ДНУЗТ, 2008 р.); на 9-й міжнародній науковій конференції "Проблеми економіки транспорту" (Дніпропетровськ, ДНУЗТ, 2009 р); на наукових семінарах кафедри 2009, 2010 рр. У повному обсязі дисертація доповідалася та була схвалена у Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна на міжкафедральному науковому семінарі (2010 р.).

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 22 наукових праці: 1 монографія, 7 наукових статей у фахових виданнях, затверджених ВАК України та 14 тез доповідей у матеріалах і тезах міжнародних конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків і 7 додатків. Повний обсяг роботи - 203 сторінки; з них основного тексту 156 сторінок; рисунків, таблиць, список використаних джерел і додатків 47 сторінок. Список використаних джерел зі 159 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, сформульовані мета і задачі досліджень, відображені наукова новизна, практичне значення одержаних результатів та особистий внесок автора, наведено відомості про апробацію та публікацію результатів досліджень.

В першому розділі виконано аналіз сучасних напрямків підвищення ефективності процесу розформування составів на сортувальних гірках.

Великий внесок у вирішення теоретичних та практичних проблем оптимізації конструкції, технічних параметрів, технології роботи сортувальних гірок та підвищення ефективності процесу розформування составів на сортувальних станціях зробили такі вчені як В.М. Акулінічев, С.А. Бессоненко, В.І. Бобровський, М.П. Божко, Т.В. Бутько, П.С. Грунтов, М.І. Данько, О.М. Долаберидзе, В. М, Іванченко, І.В. Жуковицький, Д.М. Козаченко, Д.В. Ломотько, М.К. Модін, Ю.О. Муха, Є.В. Нагорний, В.Я. Негрей, Г.І. Нечаєв, В.М. Образцов, В.Є. Павлов, М.В. Правдін, Є.О. Сотніков, Л.Б. Тішков, Б.І. Торопов, Є.М. Шафіт, В.О. Шиш, В.П. Шейкін, М.Р. Ющенко, П.О. Яновський та інші.

Проведений аналітичний огляд літератури показав, що техніко-експлуатаційні показники функціонування сортувальної гірки, а також якість інтервального та прицільного регулювання швидкості відчепів, що скочуються, суттєво залежать не тільки від параметрів гірки, але і від обраних режимів гальмування відчепів составів.

Задачі визначення раціональних режимів гальмування відчепів присвячено цілий ряд наукових робіт, в яких використовувалися різні методи її рішення і різні критерії оптимальності. Як показав аналіз, для вирішення задачі оптимізації керування скочуванням відчепів необхідно розглядати состав, що розформовується, як систему взаємозв'язаних відчепів.

Враховуючи, що при реалізації режимів гальмування неминуче виникають похибки пов'язані з різними факторами (недостовірність інформації про ходові властивості відчепів, умови розпуску, точність настройки системи АРШ та ін.), необхідно ще до початку процесу розформування розраховувати такі режими гальмування, що забезпечують максимальну надійність розділення всіх відчепів составу, що розформовується. Це дозволить мінімізувати ймовірність виникнення на спускній частині гірки нагонів, пов'язаних з можливими помилками регулювання швидкостей виходу відчепів з ГП.

Для теоретичних досліджень процесу розформування составів, оптимізації режимів скочування відчепів і попередньої оцінки алгоритмів керування сортувальним процесом на гірках використовують імітаційне моделювання процесу розформування. Було виконано аналіз існуючих методів імітаційного моделювання, встановлено їх недоліки та поставлені задачі їх удосконалення.

Проведений аналіз дозволив сформулювати мету дисертаційного дослідження, що полягає в удосконаленні метода оптимізації режиму розформування составу, та основні задачі, що були вирішені у процесі виконання дисертаційної роботи.

В другому розділі розроблено методику визначення раціонального режиму гальмування керованого відчепу розрахункової групи. З цією метою попередньо було удосконалено імітаційну модель скочування відчепу з гірки та на її основі досліджено області допустимих швидкостей (ОДШ) виходу відчепів з ГП.

Імітаційні моделі скочування відчепів, в яких їх гальмування здійснюється при рівномірному розподілі енергетичної висоти, що погашається, по всій зоні дії гальмівної позиції, не цілком відповідають реальному процесу гальмування. Тому в дисертації було розроблено модель, що на відміну від існуючих, дозволяє керувати вибором зони гальмування відчепу. Гальмування відчепу здійснюється номінальною потужністю уповільнювача при заданій ступені гальмування.

Як показує аналіз, в реальних умовах задану швидкість U виходу відчепу з гальмівної позиції можна реалізувати з використанням багатьох режимів, що відрізняються координатою точки початку гальмування S_пг. При цьому довжина зони гальмування L_г однозначно визначається координатою S_пг і заданою швидкістю U. Тому для моделювання скочування відчепу режим його гальмування представлено вектором U= (U, U) швидкостей його виходу з гальмівних позицій спускної частини гірки і вектором S_пг= (, ) точок початку гальмування на відповідних ГП.

Координата S_пг може змінюватися від мінімального S_пгmin (див. рис.1, в) до максимального S_пгmax (див. рис.1, а) значення. При цьому прийнято, що при будь-яких значеннях S_пг (S_пгmin S_пг S_пгmax) задана швидкість U виходу відчепу повинна досягатися у момент виходу його останньої осі з ГП.

Вибір координати S_пг впливає на швидкість руху відчепу в межах ГП. Граничним значенням S_пгmin та S_пгmax відповідають максимальна V_max та мінімальна V_min швидкості руху по ГП (див. рис.1, б). Проміжним значенням S_пг відповідає множина значень швидкостей в інтервалі (V_min, V_max).

Максимальні значення вказаних координат , залежать від параметрів відчепу і умов скочування, а також від необхідної швидкості виходу з ГП і можуть змінюватися в достатньо широких межах.

Рис. 1 Граничні режими гальмування відчепу: а) гальмування від точки S_пгmax; б) графіки швидкості скочування; в) гальмування від точки S_пгmin

Тому для порівняльного аналізу різних режимів гальмування було виконано масштабування вказаних координат і перехід до відповідних умовних одиниць x (S_пгmin: x=0, S_пгmax: x=1).

Таким чином, деякий варіант реалізації заданого режиму U= (U, U) може бути визначений вектором x= (x?, x) координат відповідної точки області Щ_X; тоді довільний режим гальмування відчепу, що скочується, може бути однозначно визначений вектором r_г= (U, x).

Виконаний аналіз показав, що кожна з швидкостей виходу U, U може мати кілька обмежень різного характеру; всі можливі значення вектора U= (U, U) належать області Щ допустимих швидкостей виходу відчепу з верхньої (ВГП) та середньої (СГП) гальмівних позицій (U Щ).

Обмеження, що утворюють ОДШ, визначаються чотирма групами факторів:

- гальмівною потужністю уповільнювачів гальмівних позицій;

- допустимою швидкістю скочування відчепів на спускній частині гірки;

- вимогами прицільного регулювання швидкості відчепів;

- можливістю реалізації заданої швидкості виходу відчепу з ГП.

Рис.2 ОДШ відчепу ДX с активними обмеженнями швидкостей виходу з ГП

На рис.2 наведена ОДШ для відчепу ДХ, яка є неправильним шестикутником з вершинами 1-2-3-4-5-6; при цьому вершині 1 відповідає швидкий режим скочування відчепу (Ш), а вершині 4 - повільний (П). Зазначені режими забезпечують, відповідно, мінімальний та максимальний час скочування відчепу з гірки. Всі сторони вказаного шестикутника являють собою обмеження, що можуть бути активними, тобто на них може бути розташований оптимальний режим гальмування.

Результати досліджень показали, що конфігурація, розміри і положення ОДШ істотно залежать від конструкції гірки, а також від параметрів відчепу і умов скочування. Тому була формалізована методика та розроблено алгоритм побудови ОДШ з урахуванням згаданих вище параметрів. Методика заснована на використанні імітаційного моделювання скочування відчепів з гірки; вона дозволяє також ідентифікувати і виключити неактивні обмеження швидкостей виходу відчепів з ГП до початку розв'язання задачі оптимізації. Виконані дослідження залежності часу скочування відчепу від вибору зони регулювання його швидкості (S_пг, L_г) показали, що ці параметри істотно впливають на тривалість скочування, а, отже, і на величину інтервалу між відчепами на розділових елементах. При цьому вказаний вплив збільшується для багатовагонних відчепів, а також при зменшенні швидкостей виходу U та U. Тому для пошуку раціонального режиму гальмування відчепів була розроблена методика, що базується на аналізі інтервалів в розрахунковій групі з трьох відчепів та дозволяє врахувати всі керовані змінні U, U, x, x середнього відчепу групи. Таким режимом, що забезпечує найкращі умови розділення відчепів, є режим, при якому менший з двох інтервалів (dt₁₂, dt₂₃) між парами відчепів групи на розділових стрілках досягає максимуму = min (dt₁₂, dt₂₃) max. На першому етапі були виконані дослідження і встановлені правила вибору параметрів (x?, x) для груп відчепів з різними параметрами, при різних номерах розділових стрілок та варіюванні швидкостей U, U. Було встановлено, що інтервал досягає максимуму, коли параметри (x?, x) знаходяться в одній з вершин області ?X (x?= (0;1), x= (0;1)). При цьому конкретні значення (x?, x) можуть бути однозначно визначені на основі аналізу взаємного розташування ділянки розділення відчепів групи і координат точок початку S_пг та кінця S_кг гальмування відчепу на ВГП і СГП, всі випадки якого можуть бути класифіковані за чотирма варіантами (див. табл.1). Ділянка розділення відчепів групи обмежується координатами точок входу керованого відчепу на ізольовану ділянку стрілки ₁ розділення з першим s_вх (₁) і виходу цього відчепу з ізольованої ділянки стрілки ₂ розділення з третім відчепами s_вих (₂).

Таблиця 1. Оптимальні значення вектора x по варіантам

Варіант	Умови, якими характеризуються варіанти	Значення x?, x
1	sвих (2) ? Sпг sвх (1) < sвих (2), або sвх (1) ? Sпг sвих (2) < sвх (1).	x? [0, 1], x [0, 1].
2	Sпг < sвих (2) < S?пг sвх (1) < sвих (2), або Sпг < sвх (1) < S?пг sвих (2) < sвх (1).	x?=0, x [0, 1].
3	sвх (1) < S?кг sвих (2) > S?пг sвх (1) < sвих (2), або sвих (2) < S?кг sвх (1) > S?пг sвих (2) < sвх (1)	x?=0 x=1; x?=1 x=0.
4	sвх (1) ? S?кг sвх (1) < sвих (2), або sвих (2) ? S?кг sвих (2) < sвх (1).	x? [0, 1], x [0, 1].

У випадках, коли вибір параметрів (x?, x) не впливає на величину інтервалів (x [0, 1]), то він може здійснюватися з урахуванням інших факторів; зокрема, вибір може здійснюватись за умовами розділення керованого відчепу з іншими (несуміжними) відчепами составу.

Отриманий висновок дозволив скоротити число керованих змінних з чотирьох (U, U, x, x) до двох (U, U) і істотно спростити методику оптимізації режиму гальмування керованого відчепу групи.

Для визначення раціональних швидкостей (U, U) в ОДШ керованого відчепу були отримані залежності U=f (U) між значеннями швидкостей U і U, реалізація яких забезпечує рівні інтервали між відчепами групи. Вказані залежності при різних варіантах розташування координат ділянки розділення відчепів групи наведені на рис.3 (лінії 1,2).

розділення стрілка теорія ймовірності

Рис.3 Положення ліній U=f (U) в ОДШ керованого відчепу

Аналіз характеру зміни величини вздовж ліній U= f (U) показав, що вона монотонно зростає і досягає максимуму на границі ОДШ. Напрямок росту залежить від розташування координат ділянки розділення відчепів групи (див. рис.3): при sвх (1) < sвих (2) максимум знаходиться на верхній ділянці границі ОДШ (лінія 1, =3,82 с), при sвих (2) < sвх (1) - на нижній ділянці границі (лінія 2, = 7,75 с).

Третій розділ присвячений дослідженням імовірнісних характеристик процесу багатократних розділень на стрілках відчепів составу. В роботі встановлено, що в процесах розділення на стрілках приймають участь не тільки суміжні відчепи составу, але також і відчепи, що розділені в составі одним або декількома іншими відчепами (несуміжні відчепи). При цьому показано, що умови розділення несуміжних відчепів не менш впливають на якість сортувального процесу, ніж зазвичай контрольовані умови розділення суміжних відчепів составу.

Рис.4 Схема визначення імовірності вторинного розділення крайніх відчепів групи та () на розділовій стрілці s

Аналіз розділень відчепів на стрілках з використанням ймовірнісного підходу дозволив отримати аналітичний вираз для визначення ймовірності розділення довільної пари відчепів составу та () на деякій стрілці s (див рис.4)

, (1)

де М - кількість колій у парку;

- кількість колій, на які відчеп може слідувати у разі відхилення на стрілці s, відповідно, вліво та вправо.

В результаті виконаних досліджень були отримані вирази для оцінки загального числа розділень відчепів в составах з відчепів та їх середня питома кількість , що припадає на одну пару суміжних відчепів составу.

У результаті аналізу отриманих виразів встановлено, що зі зростанням числа відчепів в составі збільшується складність аналітичних розрахунків зазначених параметрів. У зв'язку з цим була розроблена методика статистичної оцінки частоти розділень відчепів для довільних составів і конструкцій сортувальних гірок.

Для зручності аналізу розділень маршрутів конкретного составу їх було представлено верхньою трикутною матрицею (див. рис.5), рядкам і стовпцям якої поставлено у відповідність номера колій призначення його відчепів. Елементами матриці , є номери стрілочних позицій, на яких розділяються маршрути -го та -го відчепів, що слідують, відповідно, на колії . Всі елементи матриці для конкретної гірки і составу визначаються за допомогою бульових функцій:

,

де - коди колій призначення -го и -го відчепів.

Аналіз матриці дозволяє встановити загальну кількість розділень відчепів составу, а також їх розподіл по окремим стрілочним позиціям.

	W1	W2	W3	…	Wn-1	Wn
W1	0			…
W2		0		…
W3			0	…
…				…	…	…
Wn-1					0
Wn						0

Рис. 5 Верхня трикутна матриця номерів розділових стрілок відчепів составу

В результаті досліджень встановлено, що при достатньо великому числі відчепів у составі (10 і більше) число розділень має нормальний розподіл (див. рис.6). Для аналізу впливу числа колій у сортувальному парку на частоту розділень відчепів на рис.7 наведені залежності середньої питомої кількості розділень для різного числа колій у парку (= 8, 16, 32).

Рис. 6 Гістограма розподілу числа розділень R_n у составах з 10 відчепів, що розформовуються на гірці з 32 сортувальними коліями

Рис. 7 Залежності середньої питомої кількості розділень від числа відчепів в составах

Як видно з рис. 7, питома кількість розділень помітно зростає зі збільшенням числа колій у парку, отже, на великих станціях необхідність врахування багатократних розділень зростає.

Результати статистичної обробки сортувальних листків на ряді сортувальних станцій України (Нижньодніпровськ-Вузол (парна та непарна системи), Знам'янка,

Рис. 8 Кореляційна залежність між кількістю розділень R_n і числом відчепів n в составі на ст. Знам'янка

Кривий Ріг Сортувальний) показали, що загальна кількість розділень R_n в середньому в 1,5-1,8 рази перевищує число розділень суміжних пар відчепів. При цьому величина R_n має лінійну залежність від числа відчепів в составі (див. рис.8); коефіцієнт кореляції між числом відчепів і числом розділень дорівнює 0,95-0,97.

Виконаний аналіз розділень відчепів составу показав, що кількість відчепів, що мають багаторазові розділення, перевищує число відчепів, що мають тільки суміжні розділення; доля відчепів з багаторазовими розділеннями складає більше 60% від їх загальної кількості (див. рис.9).

Таким чином, отримані дані дозволяють зробити висновок про те, що багаторазові розділення відчепів необхідно враховувати при вирішенні задач підвищення ефективності сортувального процесу на гірках, в т. ч. і при оптимізації режимів розформування составів.

Рис.9 Діаграма співвідношення між кількістю розділень суміжних та несуміжних відчепів.

В четвертому розділі розроблено метод оптимізації режиму розформування составу, що враховує умови розділення між несуміжними відчепами.

Метою оптимізації режиму розформування є підвищення якості інтервального регулювання швидкості відчепів за рахунок максимізації інтервалів на розділових стрілках між усіма парами відчепів составу

(dt₁, dt₂, , dt_с) > max, (2)

де c - загальна кількість розділень відчепів в составі з урахуванням вторинних.

Як показав аналіз, інтервали t_i в (2) не є незалежними, тому що зміна режиму гальмування деякого відчепу призводить до зміни значень декількох інтервалів у (2); змінюються інтервали з тими відчепами, з якими він має розділення на стрілках, в т. ч. із несуміжними. У зв'язку з цим очевидна необхідність контролю всіх зазначених інтервалів в процесі розв'язання задачі оптимізації. З цією метою при виборі режиму гальмування керованого i-го відчепу було запропоновано розглядати кортеж всіх відчепів составу, що мають розділення з цим відчепом (див. рис.10). У даний кортеж, крім i-го відчепу і суміжних з ним відчепів з номерами p₁= (i-1) и q₁= (i+1) необхідно включити відчепи з номерами p₂…, p_N, що розташовані в составі до i-го (p_N< … < p₂ < p₁), а також відчепи з номерами q₂, …, q_N, що розташовані після нього (q₁ < q₂ < … < q_N); тут N - число стрілочних позицій на гірці.

Рис. 10 Схема кортежу керованого відчепу

Число відчепів в кортежі залежить від комбінації їх призначень в составі і від конструкції гірочної горловини; максимальне число відчепів, що можуть мати розділення з керованим і розташовані до і після нього, дорівнює 2N. Склад кортежу i-го відчепу може бути однозначно визначено за даними матриці номерів розділових стрілок відчепів составу.

Сукупність інтервалів t_i між відчепами кортежу використовується для побудови критерію оптимізації t_i режиму гальмування r_i керованого i-го відчепу, у якості якого прийнято абсолютну величину різниці мінімальних інтервалів i-го відчепу з відчепами, що розташовані у составі до і після нього

. (3)

Вибір такого критерію дозволяє забезпечити найкращі умови розділення всіх відчепів у кортежі за рахунок вирівнювання інтервалів у його найбільш несприятливих парах. Критерії t_i, i=, використовуються для побудови цільової функції для оптимізації режиму розформування составу

. (4)

Компоненти t_i вектора T пов'язані з відповідними відчепами і впорядковані за їхнім розташуванням у составі. Вони мають однакову природу та однаково впливають на показники якості процесу розформування і тому сформульовану задачу оптимізації можливо розглядати як багатокритеріальну з однорідними критеріями.

У якості обмежень в даній задачі розглядаються швидкості виходу з гальмівних позицій. З цією метою при визначенні режиму гальмування i-го відчепу контролюється належність швидкостей виходу з ВГП та СГП до його ОДШ (U_i Щ_i). Зазначені області Щ_i повинні бути визначені для кожного відчепу составу до початку розв'язання задачі оптимізації. Пошук оптимального режиму розформування составу виконується при фіксованій швидкості розпуску составу ; її значення належить області допустимих значень для гірок відповідної потужності.

У загальному вигляді запропонований метод розв'язання сформульованої задачі оптимізації режиму розформування составу можна представити у вигляді наступної ітеративної схеми.

Крок 1.

Упорядкувати частинні критерії t_i вектора T за спаданням. В отриманому векторі T' всі частинні критерії суворо ранжовані за важливістю:

,

де zj - номер відчепу, у якого різниця мінімальних інтервалів має j-й ранг (zj [2, n-1]).

Крок 2.

Вибрати відчеп zj для оптимізації режиму гальмування. Номер відчепу zj визначається по частинному критерію, що має максимальний ранг. Оптимізація режиму гальмування відчепу zj можлива в тому випадку, якщо для обраних в (3) мінімальних інтервалів і , i= zj, виконується умова:

. (5)

Процедура вибору починається з відчепу z1 і продовжується до тих пір, поки для чергового відчепу zj не буде виконана умова (5).

У випадку, якщо умова (5) не виконується і для відчепу zn-2, то це означає, що всі відчепи составу мають екстремальні режими скочування, що не можуть бути змінені, тому оптимізація режиму розформування даного составу припиняється.

Крок 3.

Виконати перевірку величини частинного критерію для вибраного відчепу zj.

Якщо <е, то оптимізація режиму розформування даного составу припиняється. При цьому необхідна точність визначення режиму розформування е визначається метою вирішення завдання і повинна бути задана до його початку.

Крок 4.

Виконати оптимізацію режиму r_i вибраного відчепу zj для забезпечення мінімуму частинного критерію (див. рис.11).

Рис. 11 Оптимізація режиму гальмування керованого відчепу по частинному критерію t: а) () > () () < (); б) () > (); в) () < ().

Крок 5.

Розрахувати нові значення частинних критеріїв ti вектора T і виконати перехід до кроку 1.

У процесі оптимізації состав поступово розбивається на групи, в яких відбувається вирівнювання величин суміжних інтервалів (див. рис.12). Даний результат досягається за рахунок використання резервів інтервалів між відчепами составу, що знаходяться в групах зі сприятливими умовами розділення, і перерозподілу цих резервів між відчепами составу, що знаходяться в групах із несприятливими умовами розділення. В результаті оптимізації встановлюються такі режими гальмування відчепів составу, при яких забезпечуються максимально можливі інтервали на розділових стрілках для всіх несприятливих за умовами розділення груп відчепів (див. рис.13). Межами груп є відчепи з екстремальними режимами скочування (швидкий (Ш), повільний (П)).

Рис.12 Зміна величини суміжних інтервалів в процесі оптимізації

Рис.13 Розподіл інтервалів між відчепами після закінчення оптимізації

Для реалізації запропонованого методу було розроблено програмне забезпечення (див. рис.14), що дозволяє встановити оптимальний режим розформування составу; рішення задачі здійснюється з використанням імітаційного моделювання процесу розпуску.

Рис.14 Інтерфейс програми визначення оптимального режиму розформування составу

Статистична обробка величини інтервалів (див. рис.15), отриманих в результаті оптимізації режимів розформування множини составів, показала, що значення математичного очікування величини інтервалу між суміжними відчепами становить М [dt_см] =6,24 с. Найбільш вірогідне значення dt_см становить 5,0 с; при цьому 94% зазначених інтервалів перевищують 4,5 с.

Таким чином, отримані значення інтервалів дають можливість компенсувати дію випадкових факторів (недостовірність інформації про ходові властивості відчепів, помилки регулювання швидкостей виходу відчепів з ГП та ін.) та мінімізувати ймовірність нерозділення відчепів составу. У разі, якщо деякий інтервал буде менше допустимого у цьому випадку необхідно зменшити задану швидкість розпуску.

В п'ятому розділі була виконана оцінка ефективності розробленого методу оптимізації на основі імітаційного моделювання процесу розформування потоку составів. В результаті було визначено показники, що характеризують якість сортувального процесу при оптимальних режимах гальмування відчепів.

Рис.15 Гістограма розподілу величини інтервалів між суміжними відчепами

Для досліджень була використана імітаційна модель процесу розформування составів на автоматизованих гірках. Модель імітує процеси насуву составу і керованого скочування всіх його відчепів; в результаті моделювання отримують основні показники якості сортувального процесу. Вона забезпечує розрахунок сил, що діють на відчепи в процесі їх скочування з гірки, імітацію роботи уповільнювачів та переведення стрілок, контроль нерозділень і нагонів відчепів, а також моделювання проштовхування вагонів на сортувальних коліях. Для реалізації заданих швидкостей виходу відчепів з ГП в моделі використовуються алгоритми функціонування існуючих автоматизованих систем.

В імітаційній моделі процесу розформування було удосконалено модель плану гірочної горловини, яка відображає її конструкцію і служить інформаційною базою для побудови імітаційної моделі процесу розформування составів.

З використанням вказаної моделі було виконане розформування групи з 30 составів, для яких попередньо були визначені швидкості виходу відчепів з ГП за допомогою розробленого методу оптимізації режимів гальмування. По результатам моделювання був виконаний статистичний аналіз основних показників якості сортувального процесу (інтервалів t між відчепами на розділових елементах, похибок реалізації інтервалів Dt та заданих швидкостей DU виходу з ГП, швидкостей зіткнення V_з відчепів на коліях сортувального парку та довжин вікон L_в).

Як показав аналіз розподілу інтервалів між відчепами на розділових елементах (рис.16, а), в цілому якість інтервального регулювання на гірці задовільна, тому що негативні значення dt в отриманій вибірці відсутні. Величина dt має близьке до нормального симетричне розподілення.

Рис.16 Гістограма і теоретична функція щільності розподілу: а) фактичної величини інтервалів між суміжними відчепами; б) похибки реалізації інтервалів між суміжними відчепами

У той же час в отриманій вибірці близько 2% інтервалів мають значення dt <1с. Такі інтервали ускладнюють процес функціонування системи ГАЦ на гірці і можуть послужити причиною нерозділення відчепів. Слід зауважити, що в сукупності інтервалів dt, отриманих при оптимізації режимів гальмування для розглянутих составів, такі малі значення dt відсутні. Це означає, що вони були отримані в результаті помилок реалізації заданих режимів гальмування відчепів.

На підтвердження був виконаний аналіз похибок реалізації заданих швидкостей DU виходу з ВГП (s_ДU=0,44 м/с) та СГП (s_ДU=0,46 м/с), що є близькими до результатів експериментальних досліджень систем АРШ і свідчать про необхідність удосконалення системи керування уповільнювачами ГП. Про це також свідчить аналіз різниці Dt = dt_р - dt_ф між розрахунковими інтервалами ??dt_р?, що отримані в результаті оптимізації режимів гальмування, і фактичними інтервалами dt_ф (див. рис.16, б).

Аналіз якості показників прицільного регулювання показав, що середнє значення швидкості зіткнення відчепів з вагонами на сортувальних коліях становить 1,37 м/с. У той же час досить велике число відчепів (38%) мають швидкість зіткнення вище допустимої величини 1,5 м/с. Середня довжина вікна дорівнює 54,4 м, що становить 4,7 м у розрахунку на один перероблений вагон. При цьому слід зазначити, що при оптимізації режиму розформування составу вимоги прицільного регулювання швидкості відчепів забезпечувалися, що свідчить про необхідність підвищення якості прицільного регулювання в системах АРШ.

Таким чином, виконаний аналіз отриманих показників сортувального процесу показав достатню ефективність розробленого метода оптимізації режимів розформування составів, і тому він може бути рекомендований для розрахунку швидкостей виходу відчепів з ГП в системах автоматизації сортувального процесу.

У додатках наведено параметри сортувальної гірки, що використовується в імітаційних моделях скочування відчепу та розформування составів; результати досліджень впливу режимів гальмування на тривалість скочування відчепу; ОДШ для різних відчепів в різних умовах скочування; результати статистичної обробки сортувальних листків для різних станцій; приклади повторного коригування режиму гальмування керованого відчепу кортежу, а також довідки про використання результатів дисертаційної роботи.

Висновки

В дисертаційній роботі отримане нове вирішення актуальної науково-практичної задачі підвищення ефективності сортувального процесу на станціях. Розроблений метод визначення оптимальних режимів розформування составів на гірках забезпечує найкращі умови розділення відчепів составу на розділових елементах, а також можливість реалізації безпечної швидкості співударяння вагонів на сортувальних коліях.

Основні наукові результати і висновки дисертації полягають у наступному:

1. Аналіз наукових праць, присвячених підвищенню ефективності процесу розформування составів на сортувальних гірках показав, що інтервальне регулювання швидкості відчепів є складною оптимізаційною задачею, остаточно в даний час не вирішеною. Для вирішення задачі оптимізації режиму розформування составу необхідний системний підхід для врахування взаємозв'язків всіх відчепів составу та можливих їх багатократних розділень на стрілках.

2. Для вирішення задачі оптимізації режимів гальмування необхідно враховувати їх можливі обмеження. З цією метою введено поняття області допустимих швидкостей виходу відчепу з гальмівних позицій, якій належать всі можливі значення швидкостей виходу відчепу з верхньої та середньої ГП. Встановлено, що конфігурація, розміри і положення ОДШ суттєво залежать від конструкції гірки, а також від параметрів відчепу та умов скочування. Розроблена методика побудови ОДШ заснована на використанні імітаційного моделювання скочування відчепу з гірки; вона забезпечує також ідентифікацію і виключення неактивних обмежень швидкостей виходу відчепів з ГП до початку розв'язання задачі оптимізації.

3. Встановлено, що час скочування відчепу з гірки, а, отже, і якість інтервального регулювання істотно залежить від вибору зони гальмування. Різниця в часі скочування при гальмуванні відчепу головною і хвостовою частиною сповільнювача може досягати 8 с для одновагонних відчепів та 15 с для відчепів з 3-х вагонів. Отже, для забезпечення найкращих умов розділення відчепів на стрілках, необхідно враховувати положення зони гальмування при виборі режимів гальмування.

4. Доведено, що вибір координат точок початку гальмування, який забезпечує найкращі умови розділення розрахункової групи з трьох відчепів, є однозначним і визначається взаємним розташуванням координат ділянки розділення відчепів групи та зон гальмування відчепу на ВГП і СГП. Цей висновок дозволив скоротити число керованих змінних з чотирьох до двох та суттєво спростити метод оптимізації режиму гальмування керованого відчепу групи.

5. Встановлено, що оптимальний режим гальмування керованого відчепу в групі з трьох відчепів знаходиться на верхній або на нижній ділянці границі його ОДШ; вибір ділянки залежить від співвідношення координат (s_вх (₁), s_вих (₂)) ділянки розділення відчепів групи.

6. В процесах розділення на стрілках беруть участь не тільки суміжні відчепи составу, але також і відчепи, що розділені в составі одним або кількома іншими відчепами (несуміжні відчепи). Число розділень відчепів в составі є випадковою величиною з нормальним законом розподілу. Загальна кількість розділень в реальних составах в середньому в 1,5-1,8 рази перевищує кількість розділень суміжних пар відчепів. При цьому кількість розділень в составі має лінійну залежність від числа відчепів; коефіцієнт кореляції між числом відчепів і числом розділень дорівнює 0,95-0,97. Середнє значення питомого числа розділень, що припадає на одну пару суміжних відчепів составу, нелінійно залежить від числа відчепів в составі. Состави, в яких відчепи мають тільки суміжні розділення складають менше 4-5% від їх загальної кількості. Кількість відчепів, що мають багатократні розділення, перевищує кількість відчепів, що мають тільки суміжні розділення і становить близько 60% від їх загальної кількості. Доведено, що умови розділення несуміжних відчепів не менш впливають на якість сортувального процесу, ніж зазвичай контрольовані умови розділення суміжних відчепів составу, тому їх необхідно враховувати при вирішенні широкого кола практичних задач, спрямованих на підвищення ефективності сортувального процесу на гірках, в т. ч. і при оптимізації режимів розформування составів.

7. Розроблений метод оптимізації режимів розформування составів, побудований на основі системного підходу, дозволяє встановити такі режими гальмування відчепів составу, при яких забезпечуються максимально можливі інтервали на розділових стрілках для всіх несприятливих за умовами розділення груп відчепів. При цьому враховуються умови розділення як суміжних, так і несуміжних відчепів составу.

8. Результати оптимізації режимів гальмування відчепів множини составів показали, що величину близько 5% інтервалів між суміжними відчепами необхідно зменшувати для забезпечення розділення несуміжних відчепів составу.

9. Кількісна оцінка показників сортувального процесу при використанні розробленого метода оптимізації для керування процесом розформування составів на автоматизованих сортувальних гірках виконана на основі моделювання розформування потоку составів. Встановлено, що інтервали між відчепами у більшості випадків забезпечують їх надійне розділення на стрілках (M [dt] = 5,14 c); в той же час близько 2% інтервалів мають величину менше 1 с. Середня швидкість зіткнення вагонів у сортувальному парку становить 1,37 м/с; при цьому 38% відчепів мають швидкість зіткнення вище допустимої величини. Середня довжина вікна на один перероблений вагон дорівнює 4,7 м. Отримані показники свідчать про необхідність підвищення точності реалізації заданих швидкостей виходу відчепів з ГП та якості прицільного регулювання в системах АРШ?

10. Розроблений метод оптимізації режимів розформування составів може бути рекомендований для розрахунку швидкостей виходу відчепів з гальмівних позицій в системах автоматизації сортувального процесу. Отримані в результаті оптимізації режими гальмування забезпечують достатньо високу якість інтервального регулювання, а також можливість реалізації безпечної швидкості підходу відчепів до вагонів на сортувальних коліях.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Основні праці:

1. Бобровский В.И. Оптимизация режимов торможения отцепов на сортировочных горках / В.И. Бобровский, Д.Н. Козаченко, Н.П. Божко, Н.В. Рогов, Н.И. Березовий, А.В. Кудряшов // Монография, Дн-ск: Изд-во Маковецкий, 2010, с.260.

2. Бобровский В.И. Вероятностные характеристики разделений отцепов состава на стрілках / В.И. Бобровский, А.В. Кудряшов, Ю.В. Чибисов // Вісник ДІІТу, Вип.18. - Д.: ДІІТ, 2007. - с.146-150.

3. Бобровский В.И. Статистический анализ числа разделений отцепов на стрелках при расформировании составов / В.И. Бобровский, А.В. Кудряшов, Л.О. Ефимова // Вісник ДІІТу, Вип.20 - Д.: ДІІТ, 2008. - с.13-19.

4. Бобровский В.І. Вплив режимів гальмування на тривалість скочування відчепів з гірки / В.І. Бобровский, А.В. Кудряшов, Л.О. Єльникова // Зб. наук. праць. - Харьків: УкрДАЗТ, 2009. - Вип.102. - С.147-156.

5. Бобровский В.И. Ограничения режимов торможения отцепов на сортировочных горках / В.И. Бобровский, Р.В. Вернигора, А.В. Кудряшов, Л.О. Ельникова // Вісник ДІІТу, Вип.27 - Д.: ДІІТ, 2009. - с.30-35.

6. Кудряшов А.В. Определение рациональных режимов скатывания отцепов с сортировочных горок / А.В. Кудряшов // Вісник ДІІТу, Вип.28 - Д.: ДІІТ, 2009. - с.149-154.

7. Бобровский В.И. Кудряшов А.В., Колесник А.И. Оценка влияния режимов торможения на качество процесса расформирования составов на сортировочных горках / В.И. Бобровский, А.В. Кудряшов, А.И. Колесник // Зб. наук. праць. - Харьків: УкрДАЗТ, 2010. - Вип.113. - с.121-127.

8. Бобровский В.И. Оптимизация режимов расформирования составов на сортировочных горках / В.И. Бобровский, А.В. Кудряшов // Вісник ДІІТу, Вип.32 - Д.: ДІІТ, 2010. - с.224-229.

Додаткові праці:

9. Бобровский В.І. Оптимізація режимів гальмування відчепів з урахуванням вторинних нерозділеннь / В.І. Бобровский, А.В. Кудряшов, Ю.В. Чибісов // Тези LXVII Міжнародної науково - практичної конференції "Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту" - Д.: ДІІТ. - 2007. - с.119.

...