Удосконалення методології визначення техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу з урахуванням життєвого циклу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Українська державна академія залізничного транспорту

УДК 629.4.016

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДОЛОГІЇ ВИЗНАЧЕННЯ ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ ФУНКЦІОНУВАННЯ ТЯГОВОГО РУХОМОГО СКЛАДУ З УРАХУВАННЯМ ЖИТТЄВОГО ЦИКЛУ

05.22.07 - рухомий склад залізниць та тяга поїздів

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Калабухін Юрій Євгенович

Харків 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі «Експлуатація та ремонт рухомого складу» Української державної академії залізничного транспорту Міністерства транспорту та зв'язку України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Тартаковський Едуард Давидович, Українська державна академія залізничного транспорту, кафедра «Експлуатація та ремонт рухомого складу», завідувач кафедри

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Боднар Борис Євгенович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна, перший проректор, завідувач кафедри «Локомотиви»

доктор технічних наук, професор Кельрих Мусій Борисович, Державний економіко-технологічний університет транспорту, завідувач кафедри «Вагони»

доктор технічних наук, професор Далека Василь Хомич, Харківська національна академія міського господарства, завідувач кафедри «Електричний транспорт»

Захист відбудеться “ 22 ” квітня 2010 р. о 12⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.820.04 в Українській державній академії залізничного транспорту за адресою: 61050, м. Харків, майдан Фейєрбаха, 7

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Української державної академії залізничного транспорту за адресою: 61050, м. Харків, майдан Фейєрбаха, 7

Автореферат розісланий “ 20 ” березня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Прохорченко А.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ

Однією зі складових в роботі залізниць України є локомотивне господарство, головним завданням якого є забезпечення процесу перевезень технічно справним тяговим рухомим складом. Звісно, що на локомотивне господарство припадає значна частина експлуатаційних витрат. Тому від рівня технічного стану та оновлення тягового рухомого складу, умов його використання, системи ремонту та обслуговування залежать результати діяльності транспорту в цілому.

Актуальність теми дисертації

На теперішній час тяговий рухомий склад залізниць України, що обслуговує вантажний, пасажирський, приміський та маневровий рух, знаходиться у критичному стані - його знос складає від 70 % до 80 %, а фактичний термін експлуатації - від 25 до 40 років. Такий моральний та фізичний знос активної частини основних фондів залізниць може призвести до негативних технічних, економічних та соціально-екологічних наслідків.

Таким чином, у найближчій перспективі однією з першочергових проблем Укрзалізниці стає оновлення тягового рухомого складу. Без урахування таких прогресивних напрямків в роботі транспорту, як організація швидкісного пасажирського руху, створення міжнародних транспортних коридорів - неможливо підвищити конкурентоспроможність українських залізниць на ринку транспортних послуг. Отже, ця проблема є досить актуальною.

Оновлення тягового рухомого складу може відбуватися як за рахунок придбання нової техніки, так і за рахунок модернізації існуючої. В обох випадках це потребує значних капітальних вкладень, особливо коли розглядаються можливості придбання локомотивів за кордоном (наприклад, в Росії, Чехії і т. ін.). При цьому необхідно відзначити, що Україна має власний науково-виробничий потенціал, який дозволяє організувати і освоїти, з урахуванням світового досвіду, виробництво тягового рухомого складу, у тому числі локомотивів.

Розробка та освоєння виробництва сучасного тягового рухомого складу, а також модернізація існуючого потребує проведення техніко-економічного аналізу та наукового обґрунтування вибору можливих варіантів оновлення нової техніки. При цьому техніко-економічні розрахунки повинні враховувати етапи: виробництва прогресивних видів техніки, її експлуатації та утилізації. Ці етапи являють собою тривалий період часу, протягом якого можливі зміни: в національній економіці; обсягів перевезень; різноманітних вартісних показників та нормативної бази; показників технічного стану (надійності, економічності, продуктивності, екологічності технічних засобів і т. ін.). Однак у теперішній час в залізничній галузі України відсутній науковий напрямок щодо єдиної сучасної методології по визначенню техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу з урахуванням його життєвого циклу. Це викликає безліч методів, на основі яких здійснюються відповідні висновки та визначаються техніко-економічні показники, які в окремих випадках не відповідають одне одному. У деяких випадках ці методи є недостатньо обґрунтованими. Крім того, ці методи у своїй більшості не враховують динаміку технічних, технологічних та економічних процесів, які значно впливають на результати роботи транспорту.

Тому, на сучасному етапі розвитку тягового рухомого складу, в умовах ринкових відносин, необхідно вирішити науково-прикладну проблему - створення методології визначення техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу з урахуванням усіх можливих змін протягом життєвого циклу, яка б давала змогу робити прогнози доцільності та вигідності проектів по створенню та втіленню в експлуатацію нової техніки і модернізації тієї, що існує.

Це визначає актуальність теми дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Роботу виконано згідно з науково-технічною програмою «Розвиток відомчого залізничного транспорту для забезпечення вантажних перевезень на підприємствах України», яку введено в дію наказом Міністерства промислової політики від 13 грудня 2004 р. №667, «Концепцією та програмою реструктуризації на залізничному транспорті України» та розпорядженням Кабінету Міністрів України від 27 грудня 2006 р. №651-р. «Концепція державної програми реформування залізничного транспорту України», «Комплексною програмою оновлення залізничного рухомого складу України на 2008-2020 роки», яку введено в дію наказом Міністерства транспорту та зв'язку від 14 жовтня 2008 р. №1259.

Наукові результати дисертаційної роботи отримані при виконанні таких науково-дослідних робіт: «Модернізація та удосконалення технології ремонту дизелів 11Д45 та 14Д40» (ДР 0195U015069), «Розробка та втілення системи реєстрації і аналізу технічного стану силових установок тепловозів 2М62 з метою зменшення витрат на ремонт та обслуговування» (ДР 0195U015070), «Справочник по эксплуатации тепловых сетей и теплового оборудования» (ДР 0107U007753), «Розробка техніко-економічного обґрунтування, експертиза нормативно-технічної документації по маневровому тепловозу та участь у випробуваннях» (ДР 0104U000018), «Вибір оптимальних параметрів перспективних типів магістральних, маневрових тепловозів та моторвагонного рухомого складу» (ДР 0104U003178), «Проведення досліджень та розробка методичних положень по розподілу локомотивних, вагонних та пасажирських депо на експлуатаційну та ремонтну частину» (ДР 0107U006535), «Оцінка технічного рівня та техніко-економічна оцінка модернізованих тепловозів серії ЧМЕ3П. Розробка технічного завдання на маневровий тепловоз серії ЧМЕ3П» (ДР 0108U009084).

Мета і задачі дослідження

Метою дисертаційної роботи є вирішення науково-прикладної проблеми - удосконалення методології визначення техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу з урахуванням життєвого циклу.

Реалізація поставленої мети потребує вирішення таких основних задач:

- проаналізувати віковий стан тягового рухомого складу залізниць України та визначити тенденції його оновлення;

- сформувати науковий підхід визначення техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу з урахуванням умов його експлуатації, технічного обслуговування та ремонту протягом життєвого циклу;

- систематизувати складові та створити модель життєвого циклу тягового рухомого складу у відповідності до умов його експлуатації;

- розробити систему питомих середньо-експлуатаційних техніко-економічних та екологічних показників функціонування тягового рухомого складу з урахуванням умов його експлуатації протягом життєвого циклу, на основі якої здійснюється вибір варіанту оновлення залізничної техніки;

- запропонувати методологію визначення техніко-економічних та екологічних показників функціонування тягового рухомого складу з урахуванням умов його експлуатації, технічного обслуговування та ремонту протягом життєвого циклу;

- розробити комплекс багатофакторних математичних моделей витрат енергоносіїв та викидів шкідливих речовин сучасного тягового рухомого складу із застосуванням тягових розрахунків.

Об'єкт дослідження - процес формування техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу.

Предмет дослідження - методологія визначення техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу з урахуванням життєвого циклу. тяговий рухомий склад експлуатація

Методи дослідження. Поставлені в дисертації мета і задачі дослідження вирішувались за допомогою методів дослідження операцій, методів динаміки середніх, методів послідовної оптимізації, чисельних методів розрахунку на ПЕОМ. Для визначення та побудови математичних моделей витрати енергоресурсів на тягу поїздів та викидів шкідливих речовин дизелями тепловозів було застосовано теорію локомотивної тяги та методи планування експерименту, а також чисельні методи математичного аналізу. При розробці системи питомих середньо-експлуатаційних техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу використовувались методи теорії надійності, методи економіко-математичного моделювання і математичної статистики. Для наукового обґрунтування рішення стосовно варіанту оновлення тягового рухомого складу було використано методи прийняття технічних рішень. Достовірність отриманих результатів визначається зіставленням результатів теоретичного і практичного використання розроблених методів і моделей, оскільки різниця не перевищувала 5 %.

Наукова новизна одержаних результатів

Вирішена науково-прикладна проблема удосконалення методології визначення техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу з урахуванням життєвого циклу та адаптації до змінних факторів експлуатації. Створені наукові підходи до оновлення тягового рухомого складу залізничного транспорту України, запропоновані нові методи для їх реалізації.

Вперше:

- сформовано та формалізовано науковий підхід визначення техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу на основі систематизації та оцінки складових його життєвого циклу у відповідності до умов експлуатації, який дозволяє науково обґрунтувати вибір варіанту оновлення залізничної техніки з урахуванням світового технічного рівня;

- сформовано та формалізовано систему питомих середньо-експлуатаційних техніко-економічних та екологічних показників функціонування тягового рухомого складу, використання яких, на відмінність від загальноприйнятих показників, підвищить достовірність оцінок варіанту оновлення залізничної техніки з урахуванням життєвого циклу;

- розроблено новий метод визначення складових техніко-економічних та екологічних показників функціонування тягового рухомого складу з урахуванням життєвого циклу, який дозволяє прогнозувати доцільність оновлення залізничної техніки;

- створено комплекс багатофакторних математичних моделей витрат енергоносіїв та викидів шкідливих речовин сучасним тяговим рухомим складом, які дозволяють на відмінність від існуючих моделей отримати та дослідити залежність енергоспоживання та шкоди навколишньому середовищу від факторів експлуатації протягом життєвого циклу.

Дістали подальшого розвитку:

- методи кількісної оцінки станів тягового рухомого складу протягом життєвого циклу з урахуванням особливостей його конструкції, технічного рівня, експлуатації, системи поточного ремонту та технічного обслуговування, що дозволяє підвищити достовірність оцінки техніко-економічних показників;

- метод визначення маси викидів шкідливих речовин та шкоди, яка наноситься навколишньому середовищу тепловозом на етапі експлуатації;

- метод наукового обґрунтування доцільності придбання та використання перспективного тягового рухомого складу з урахуванням його життєвого циклу та умов експлуатації.

Практичне значення одержаних результатів

Запропонований науковий підхід визначення техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу на основі систематизації та оцінки складових його життєвого циклу у відповідності до умов експлуатації дозволив науково обґрунтувати розробку та виробництво сучасних вітчизняних маневрових тепловозів Відкритим акціонерним товариством Холдінгова компанія «Луганськтепловоз». Економічний ефект запропонованих розробок складає понад 800 тис. грн.

Розроблений комплекс методів та процедур визначення техніко-економічних та екологічних показників функціонування тягового рухомого складу з урахуванням життєвого циклу дозволив Державній адміністрації залізничного транспорту «Укрзалізниця» науково обґрунтувати розробку та впровадження модернізації маневрових тепловозів. Економічний ефект запропонованих розробок складає 891 тис. грн.

Створена методологія визначення техніко-економічних показників функціонування електропоїзду з урахуванням життєвого циклу в умовах експлуатації залізниць України дозволила прийняти Державному підприємству «Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України» науково-обґрунтоване рішення щодо варіанту оновлення даного типу тягового рухомого складу. Економічний ефект запропонованих розробок складає 7000 тис. грн. за життєвий цикл.

Створений комплекс багатофакторних математичних моделей витрат енергоносіїв та викидів шкідливих речовин сучасним тяговим рухомим складом використовується у навчальному процесі Української державної академії залізничного транспорту в дипломному проектуванні студентів спеціальностей «Рухомий склад та спеціальна техніка залізничного транспорту» і «Електричний транспорт»; при виконанні науково-дослідних робіт студентів; в Інституті перепідготовки та підвищення кваліфікації кадрів при УкрДАЗТ за технічними спеціальностями. Практичне впровадження результатів роботи підтверджено відповідними документами та матеріалами, які подані в додатках до дисертації.

Особистий внесок здобувача

У працях, які написані у співавторстві дисертанту належить:

[2, 3, 5, 12, 15, 23] - систематизація та визначення складових вартості життєвого циклу тягового рухомого складу у відповідності до умов його експлуатації, ремонту та технічного обслуговування;

[10, 16, 17, 18, 20, 22, 24] - методологія визначення техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу з урахуванням умов його експлуатації протягом життєвого циклу;

[1, 4, 19] - метод визначення екологічних показників функціонування тепловозів з урахуванням умов його експлуатації протягом життєвого циклу;

[11, 13, 21, 37] - розробка моделей та розрахунки техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу на основі даних життєвого циклу;

[9, 14, 29, 30, 31] - аналіз сучасних напрямків розвитку залізничного транспорту України та тягового рухомого складу.

Апробація результатів дисертації

Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися і отримали схвалення на таких конференціях:

- ІV міжнародній науковій конференції «Проблеми економіки транспорту» (Україна, м. Дніпропетровськ 2005 р.);

- І міжнародній науковій конференції (Україна, Крим, м. Судак, 2006 р.);

- LXVI міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту» (Україна, м. Дніпропетровськ, 2006 р.);

- ІІ науково-практичній конференції «Проблеми міжнародних транспортних коридорів та єдиної транспортної системи України» (Україна, Крим, м. Коктебель, 2006 р.);

- II науково-практичній міжнародній конференції «Втілення наукоємних технологій на магистральному та промисловому залізничному транспорті» (Україна, Крим, м. Алушта, 2006 р.);

- VI міжнародній науковій конференції «Проблеми економіки транспорту» (Україна, м. Дніпропетровськ 2007 р.);

- ІІІ міжнародно-практичній конференції «Проблеми міжнародних транспортних коридорів та єдиної транспортної системи України» (Україна, Крим, м. Коктебель, 2007 р.);

- VIІ міжнародній науковій конференції «Проблеми економіки транспорту» (Україна, м. Дніпропетровськ 2008 р.);

- ІV міжнародно-практичній конференції «Проблеми міжнародних транспортних коридорів та єдиної транспортної системи України» (Україна, Крим, м. Коктебель, 2008 р.);

- ІІІ міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми економіки та управління на залізничному транспорті - ЕКУЗТ 2008» (Україна, Крим, м. Судак, 2008 р.);

- 66-71 науково-технічних конференціях кафедр Української державної академії залізничного транспорту та спеціалістів залізничного транспорту (Україна, м. Харків, 2004-2009 рр.).

Повністю дисертаційна робота доповідалася на:

- розширеному засіданні кафедри експлуатації та ремонту рухомого складу Української державної академії залізничного транспорту за участю членів спеціалізованої вченої ради (м. Харків, 2009 р.);

- науковому семінарі Державного підприємства «Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України» (м. Київ, 2009 р.);

- розширеному науковому семінарі кафедри електричного транспорту Харківської національної академії міського господарства (м. Харків, 2009 р.);

- розширеному засіданні факультету систем рейкових комунікацій Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля (м. Луганськ, 2009 р.).

Публікації

Основні результати дослідження опубліковані в 38 наукових працях. З них 25 статей у виданнях, які затверджені ВАК України як фахові (зокрема 10 без співавторів).

Структура роботи

Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків, додатків, списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації складає 420 сторінка, в тому числі 251 сторінка основного тексту, 6 таблиць, 48 рисунків, 6 додатків на 76 сторінках, список використаної літератури включає 357 найменувань на 39 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, доведена її актуальність і зв'язок з науковими програмами та науково-дослідними темами, сформульована мета роботи, визначені її наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі зроблено аналіз вікового стану існуючого парку тягового рухомого складу залізниць України. За даними Укрзалізниці на початок 2009 р. частка тягового рухомого складу з терміном експлуатації понад 25-30 років перевищила 70. На даний час знос електровозів складає 83 %, тепловозів - 89 %, електропоїздів - 78 %, дизель-поїздів - 70 %. Це призводить до зростання витрат на експлуатацію, ремонт та технічне обслуговування тягового рухомого складу.

За три подальші роки ряд типів тягового рухомого складу відпрацює подовжені раніше на 15 років терміни їх нормативної експлуатації. Як засвідчив аналіз, найкритичніша ситуація склалася із забезпеченням перевезень електровозами та електропоїздами постійного струму. Збільшуватиметься дефіцит тепловозів, дизель-поїздів та інших типів тягового рухомого складу.

Таким чином, у найближчій перспективі вирішення задач Укрзалізниці з оновлення тягового рухомого складу висувається на рівень проблем державного значення, які безпосередньо впливають на забезпечення національної безпеки і вимагають системного підходу до проведення злагодженої взаємодії між вченими, виробниками і експлуатаційниками. Це вимагає необхідність наукового та методичного обґрунтування використання існуючого парку тягового рухомого складу, його модернізації, а також доцільності створення та виробництва нового рухомого складу з урахуванням світового технічного рівня.

Згідно з прийнятою в 2008 р. «Комплексною програмою оновлення залізничного рухомого складу України на 2008-2020 роки», яку введено в дію наказом Міністерства транспорту та зв'язку від 14 жовтня 2008 р. №1259 актуальним є вирішення таких проблем:

- серійне виробництво якісного нового тягового рухомого складу;

- скорочення термінів створення та впровадження прогресивної техніки нового покоління та ефективних технологій для переоснащення залізничного транспорту;

- створення тягового рухомого складу нового покоління з підвищеною потужністю, у тому числі зі швидкістю 200 км/год, обладнаного перетворювачами електроенергії з мікропроцесорною системою керування й діагностування, в яких використовується сучасна елементна база та ін.

Питанням визначення та поліпшення техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу приділяється багато уваги. Фундаментальні дослідження в цьому напрямку виконувались і виконуються як в наукових організаціях Всеросійський науково-дослідний інститут залізничного транспорту, Державне підприємство «Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України», Московський державний університет шляхів сполучення, Петербурзський державний університет шляхів сполучення, Ростовський державний університет шляхів сполучення, Омський державний університет шляхів сполучення, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна, Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля, Українська державна академія залізничного транспорту, Національний технічний університет «ХПІ» та ін., так і на виробничих підприємствах Відкрите акціонерне товариство Холдінгова компанія «Луганськтепловоз», Виробниче об'єднання «Завод ім. Малишева», Державне підприємство Науково-виробнича компанія «Електровозобудування», Промислова група «Трансмашхолдінг» (Росія) та ін.

Питання підвищення техніко-економічних показників роботи залізничного транспорту за рахунок впровадження ресурсозберігаючих технологій висвітлені в дослідженнях Данька М. І., Бутько Т. В., Ломотька Д. В. та ін. Підвищенню техніко-економічних показників функціонування рухомого складу присвятили дослідження такі вчені, як Бабанін О. Б., Басов Г. Г., Блохін Є. П., Боднар Б. Є., Босов А.А., Браташ В.О., Володін О.І., Гетьман Г.К., Голубенко О.Л., Грищенко С.Г., Далека В.Х., Кельрих М.Б., Колесник І.К., Коссов Є. Є., Маслієв В.Г., Міщенко К.П., Мороз В. І., Мямлін С. В., Тартаковський Е.Д., Фалендиш А.П., Четвергов В.А. та ін.

Аналіз методів визначення техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу показав, що на сучасному етапі еволюційного розвитку нової техніки для залізничного транспорту потрібне їх удосконалення з урахуванням життєвого циклу, що застосовується у світовій практиці. Це дозволяє науково обґрунтувати вибір варіанту оновлення залізничної техніки.

На основі проведеного аналізу, в першому розділі сформульовано мету і завдання дисертації.

Другий розділ присвячено розробці теоретичних положень визначення техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу на основі систематизації та оцінки складових життєвого циклу у відповідності до умов експлуатації.

Поняття життєвого циклу та показник вартості життєвого циклу (Product Life Сус1е Соst - LCC) з 1990-х років активно використовується на залізничному транспорті європейських країн. Це обумовлено тим, що при гострій ринковій конкуренції промислові компанії доповнюють поставки своєї продукції замовникам пакетами супутніх послуг, беруть участь або повністю покладають на себе функції технічного обслуговування і ремонту виробів, які реалізуються. Завдяки цьому з'явилася можливість ефективного маневрування витратами на розробку, виробництво, експлуатацію, технічне обслуговування та ремонт. Взаємодія в рамках концепції вартості життєвого циклу звичайно вигідна і постачальнику, і замовнику. Саме так працюють із замовниками залізничного транспорту відомі виробники рухомого складу Siemens, Alstom, Bombardier та ін. На цей час концепція LCC стає все більш актуальною.

У Європі щодо визначення життєвого циклу на залізничному транспорті розроблено та введено в дію європейський стандарт EN 50126 «Об'єкти залізничного транспорту. Вимоги та підтвердження надійності, безвідмовності, ремонтопридатності та безпеки» (RAMS - Reliability, Availability, Maintainability, Safety) та створено Союзом європейської залізничної промисловості «Керівництво щодо вартості життєвого циклу».

В Росії розроблено ГОСТ Р 52944-2008, яким встановлено терміни та визначення понять в області життєвого циклу залізничного рухомого складу.

Безпосередньо питанням життєвого циклу тягового рухомого складу залізничного транспорту присвячено роботи вітчизняних вчених Басова Г.Г., Боднара Б.Є., Босова А.А., Тартаковського Е.Д., Фалендиша А.П. та російських - Вавілова Н.Є., Іванової Н.Г., Косова Є.Є., Осяєва А.Т., Павлова Л.Н., Подшивалова А.Б., Соколова Ю.І.

Життєвий цикл тягового рухомого складу являє собою період T від початку фінансування розробки проекту з створення нових засобів тяги t_п і до кінця терміну їх служби t_к = t_п + T. Цей період можна розділити на три основні етапи (рис. 1).

Перший етап включає дослідження та підготовку вимог до перспективного типажу тягового рухомого складу та до конкретної нової серії, попереднє визначення полігону її використання та прогнозування необхідної кількості.

Другий етап життєвого циклу уявляє собою час використання тягового рухомого складу на лінії, його технічне обслуговування, поточний та капітальний ремонти, а також модернізацію.

Впровадження тягового рухомого складу супроводжується супутніми заходами такими, як реконструкція ремонтної бази, підготовка експлуатаційного та ремонтного персоналу, випробування та сертифікація дослідної партії та т.п., що в залежності від способу придбання тягового рухомого складу можна віднести або до першого, або до другого етапу.

Третій етап життєвого циклу - це вилучення тягового рухомого складу з експлуатації та його утилізація.

Основна частка життєвого циклу тягового рухомого складу припадає на другий етап. На момент часу t другого етапу життєвого циклу тягова одиниця може знаходитись в одному із станів з імовірністю р_j(t) Кожен стан характеризується тривалістю за часом Дt_j та відповідними показниками ефективності е_j(t), які уявляють собою змінну величину протягом життєвого циклу. Перехід тягової одиниці з одного стану в другий характеризується тривалістю за часом Дt_ij та відповідною інтенсивністю потоку подій л_ij, які теж являють собою змінну величину протягом життєвого циклу. Таким чином, система функціонування тягового рухомого складу уявляє собою динамічну систему з стохастичним відношенням між її елементами та з іншими системами. Модель життєвого циклу тягової одиниці за таких умов може бути представлена у вигляді відповідного графу станів: S = {S_j} = {S₁, S₂, S₃, S₄, S₅, S₆, S₇, S₈, S₉, S₁₀} (рис. 2). Враховуючи граф, який сформовано, процес, що протікає на другому етапі життєвого циклу тягової одиниці, можна вважати марковським та скласти відповідну систему диференціальних рівнянь Колмогорова (1).

де p₁(t), p₂(t), …, p₁₀(t)- імовірність знаходження тягової одиниці у відповідному стані в момент часу t; л_іj - інтенсивність потоку відповідної події.

Кількісною оцінкою ефективності е_j(t) кожного стану життєвого циклу тягового рухомого складу на момент часу t є відповідні техніко-економічні показники та рівень споживання матеріальних, трудових та фінансових ресурсів, який залежить від них. Показник вартості життєвого циклу узагальнює цей рівень з урахуванням динаміки зміни техніко-економічних показників та імовірності переходу тягової одиниці з одного стану в другий протягом цього періоду часу.

Значення імовірності знаходження тягової одиниці у відповідному стані другого етапу в момент часу t, що отримано за допомогою вирішення системи диференціальних рівнянь (1), питомі витрати всіх видів ресурсів на одиницю стану та дисконтування цих витрат визначає вартість другого етапу життєвого циклу від початкового до кінцевого року другого етапу, де , а , тобто

. (2)

З урахуванням витрат першого та третього етапів життєвого циклу отримаємо загальну вартість життєвого циклу тягової одиниці

. (3)

Стосовно до умов експлуатації тягової одиниці, формула (3) приймає вид:

- при експлуатації експлуатаційно-ремонтним локомотивним депо

- при експлуатації експлуатаційним локомотивним депо з виконанням поточного ремонту та технічного обслуговування стороннім ремонтним підприємством

де - ціна придбання одиниці тягового рухомого складу, грн.; - витрати на транспортування одиниці тягового рухомого складу від місця придбання або проведення капітального ремонту чи модернізації до місця експлуатації, грн.; - супутні капітальні витрати, які необхідно здійснювати для впровадження одиниці тягового рухомого складу в експлуатацію, грн.; - ціна капітального ремонту одиниці тягового рухомого складу, грн.; - ціна модернізації одиниці тягового рухомого складу, у випадку її виконання сторонніми підприємствами, грн.; - собівартість модернізації одиниці тягового рухомого складу, у випадку її виконання власними силами локомотивного депо, грн.; ,,, - ціна відповідного поточного ремонту та технічного обслуговування, грн. - прямі виробничі витрати в розрахунку на одиницю тягового рухомого складу, грн.; - відповідно, загальновиробничі та адміністративні витрати в розрахунку на одиницю тягового рухомого складу, грн.; Л_t - ліквідаційне сальдо у рік утилізації одиниці тягового рухомого складу, грн.

Складові формул 4 та 5 визначаються в рік t життєвого циклу.

Третій розділ присвячений удосконаленню системи техніко-економічних та екологічних показників функціонування тягового рухомого складу з урахуванням життєвого циклу.

Існуюча система техніко-економічних показників використання тягового рухомого складу має добовий або середньодобовий характер виразу. Протягом життєвого циклу ці показники уявляють собою змінну величину. Тому застосування існуючої системи, при прийнятті рішень про довгостроковий варіант оновлення тягового рухомого складу, має обмежений характер, що може призвести до помилкових висновків. За цих умов доцільним було розробити систему техніко-економічних показників використання одиниці тягового рухомого складу, як середньо-експлуатаційних показників протягом життєвого циклу (табл. 1).

де - вантажообіг, який виконано одиницею тягового рухомого складу, ткм брутто; - річний пробіг тягової одиниці, км; - ефективний фонд робочого часу використання тягової одиниці, год; - годинна переробка вагонів на маневровій горці, ваг/год; ,- витрата відповідно, палива та електроенергії тяговою одиницею, кг(кВт-год); Н_t - кількість трудовитрат на експлуатацію, поточний ремонт та технічне обслуговування тягової одиниці, чол-год; - витрати відповідно, на паливо, електроенергію, матеріали на експлуатацію, поточний ремонт та технічне обслуговування тягової одиниці, грн.; - маса викиду n-ої шкідливої речовини тепловозом, кг; У_t - економічна оцінка шкоди, що наноситься викидами шкідливих речовин тепловоза, грн.

Складові формул табл. 1 визначаються в рік t життєвого циклу.

Вибір показників, що ввійшли до складу системи, було здійснено із застосуванням методу Делфі. При виборі було враховано вимогу комплексного оцінювання ефективності споживання всіх видів ресурсів для забезпечення функціонування тягової одиниці протягом життєвого циклу за умови експлуатації, а саме: середньо-експлуатаційна енергомісткість - характеризує ефективність енергоспоживання для виконання одиниці експлуатаційної роботи; середньо-експлуатаційна матеріаломісткість - характеризує ефективність споживання матеріалів для виконання одиниці експлуатаційної роботи; середньо-експлуатаційний виробіток - характеризує ефективність споживання трудових ресурсів для виконання одиниці експлуатаційної роботи; середньо-експлуатаційна ефективність - комплексний показник, який характеризує ефективність споживання всіх видів ресурсів (енергетичних, трудових та матеріальних) для виконання одиниці експлуатаційної роботи. Показники середньо-експлуатаційний добовий пробіг, середньо-експлуатаційна маса поїзду та середньо-експлуатаційна добова продуктивність характеризують якість використання тягової одиниці протягом життєвого циклу.

Враховуючи екологічні вимоги, до системи показників ефективності використання одиниці тягового рухомого складу було включено показник - питома середньо-експлуатаційна маса викидів шкідливої речовини та питома середньо-експлуатаційна оцінка шкоди, що наноситься навколишньому середовищу.

Запропоновані питомі середньо-експлуатаційні техніко-економічні показники уявляють собою систему оціночних функцій і дозволяють зробити комплексний порівняльний аналіз альтернативних технічних рішень стосовно варіантів оновлення тягового рухомого складу з урахуванням особливостей експлуатаційної роботи протягом життєвого циклу. Основним узагальнюючим показником при прийнятті рішення є показник середньо-експлуатаційної ефективності, як той, що характеризує ефективність споживання усіх видів ресурсів при використанні варіанту техніки, тобто з декількох альтернативних варіантів вибирається той, для якого . Крім того, дослідження впливу експлуатаційних факторів на питомі середньо-експлуатаційні техніко-економічні показники дозволяють надавати рекомендації стосовно шляхів підвищення ефективності використання тягового рухомого складу з урахуванням його технічних характеристик, регіону та умов експлуатації протягом життєвого циклу.

У четвертому розділі запропоновано методологію визначення складових системи питомих середньо-експлуатаційних техніко-економічних та екологічних показників функціонування тягової одиниці.

Техніко-економічні показники функціонування тягового рухомого складу формуються з технічних, технологічних та економічних показників, які між собою є взаємозалежними. Протягом життєвого циклу ці показники мають змінний характер. Однак методи, які існують на теперішній час, не враховують динаміку цих змін і дозволяють отримати лише середньодобові значення цих показників. Тому кількісна оцінка щорічних складових техніко-економічних показників за станом функціонування тягової одиниці, в залежності від її типу, виду та умов експлуатаційної роботи, системи ремонту та технічного обслуговування протягом життєвого циклу, дозволяє усунути недоліки цих методів.

Кількісна оцінка щорічних складових техніко-економічних показників як у вартісному (з урахуванням дисконтування ), так і в натуральному вигляді, визначається річним обсягом експлуатаційної роботи за станом у рік t життєвого циклу та витратами матеріальних, енергетичних та трудових ресурсів на виконання одиниці цієї роботи (табл. 2 та табл. 3).

Результатом розрахунку за цим методом є річна складова вартості життєвого циклу тягової одиниці і-го типу (табл. 3). Загальна вартість життєвого циклу визначається за формулою

. (6)

Для кількісної оцінки щорічних складових техніко-економічних показників функціонування тягової одиниці (табл. 3) з урахуванням особливостей її технічного рівня, умов експлуатації, системи поточного ремонту та технічного обслуговування було розроблено метод визначення енергетичних, матеріальних та трудових витрат на одиницю стану ІІ етапу життєвого циклу. Враховуючи екологічні вимоги, ця оцінка повинна доповнюватися екологічною складовою.

Вихідними даними запропонованого методу є техніко-експлуатаційні, економічні та екологічні показники:

Т₁ = {F_к, Р_л, b_хх, G_Ne, b_в.п., b_в.п(хх), А_І, U…} - технічна характеристика тягової одиниці;

Т₂ = {Q_бр., q_z, n₄, n₆, n₈, n_с, n_дп, а, в, с …} - характеристика складу поїзда на ділянці експлуатації;

Т₃ = {V_техн., V_обмеж., V_діл., L_діл., і_ухил, R_кр., l_кр., l_z, z, ф_z, ф_к, ф_ст....} - характеристика профілю ділянки експлуатації та графіка роботи тягової одиниці;

В₁ = {с_м, с_п.м., с_ек., с_в., с_ПР-j, с_ТО-j, с_в.м.м, м_п., м_приб. …} - вартість трудових ресурсів;

В₂ = {к_с.з., к_дод., к_допл.…} - коефіцієнти доплат та нарахувань;

В₃ = {а^м,, с_п, с_е} - вартість матеріальних ресурсів;

Н₁ = {ф_пр, ф_зд, ф_доп., t_ек.пс., t_ек.п., t_в.м.м., Т_міс.} - використання робочого часу;

Н₂ = {Ч_ек., Ч_п., Ч_приб., Ч_в.м.м, Н_в, Н_ПР-j, Н_ТО-j } - використання трудових ресурсів;

Н₃ = {L_ПР-j, L_КР-j, l_м} - пробіг тягової одиниці, км;

Н₄ = {, , , f, А_n, W} - екологічні нормативи;

де F_к - сила тяги локомотива, кН; Р_л - маса локомотива, кН; V_техн. - технічна швидкість поїзда на ділянці, км/год; V_обмеж. - обмеження швидкості поїзда на ділянці, км/год; V_діл. - дільнична швидкість на ділянці, км/год; Q_бр. - маса поїзду, т брутто; L_діл. - довжина ділянки обертання тягової одиниці, км; q_z - навантаження на вісь вагона на z-ій ділянці ділянки обертання тягової одиниці, т брутто; l_z - довжина z-ої ділянки, км; - кількість відповідно, 4-ри, 6-ти та 8-ми вісних вагонів у складі поїзду на ділянці; n_с - кількість секцій електропоїзда; n_дп - кількість вагонів дизель-поїзда; а, в, с - коефіцієнти рівняння основного питомого опору рухомого складу, Н/кН; z - кількість зупинок на ділянці маршруту; і_ухил - ухил елементу профілю ділянки, ⁰/₀₀; R_кр. - радіус кривої елементу профілю ділянки, м; l_кр. - довжина кривої елементу профілю ділянки, м; b_хх - витрата палива на режимі холостого ходу тепловоза, кг/год; b_в.п. - витрата електроенергії на власні потреби електровоза, кВт-год/хв; G_Ne - питома ефективна витрата палива на режимі потужності тепловоза або дизель-поїзда, г/кВт-год; b_в.п(хх) - витрати електроенергії на власні потреби секції електропоїзда (палива на режимі холостого ходу дизель-поїзда), кВт-год/хв( кг/год); А_І - токова характеристика електровоза або секції електропоїзда, А; U - напруга в контактній мережі, В; с_м, с_п.м., с_ек., с_в., с_ПР-j, с_ТО-j, с_в.м.м. - годинна тарифна ставка відповідно, машиніста, помічника машиніста екіпірувальника, робітника, який займається відновленням, поточним ремонтом та обслуговуванням тягової одиниці, робітника вагономийної машини, грн.; м_п., м_приб. - місячна тарифна ставка відповідно, провідника та прибиральниці вагонів дизель-поїзда і моторвагонного рухомого складу, грн.; к_с.з., к_дод., к_допл - коефіцієнти, що враховують, відповідно, відрахування на соціальні заходи, додаткову заробітну плату та доплати; а^м - норма витрат матеріалів для поїзної роботи, грн.; - витрата відповідно, матеріалів на одиницю відновлення, поточного ремонту та технічного обслуговування j-ого виду, прибирання та обслуговування вагонів моторвагонного рухомого складу та дизель-поїзда, електроенергії на освітлення і опалення вагонів моторвагонного рухомого складу, грн.; с_п, с_е- ціна відповідно, 1 кг палива та 1 кВт-год електроенергії, грн.; - час відповідно на прийом та здавання тягової одиниці локомотивною бригадою, простою на z-ій зупинці, простою маневрового тепловоза у кар'єрі, на станції перечеплення поїзда, підчеплення маневрового тепловоза до вагонів у вантажному парку, хв; t_ек.пс., t_ек.п. - час на екіпіровку локомотива відповідно піском та паливом, год; Т_міс. - місячний фонд робочого часу робітника, год;Ч_ек., Ч_п., Ч_приб., Ч_в.м.м. - чисельність відповідно, екіпірувальників, провідників у приміському русі, прибиральниць та бригади вагономийної машини, чол.; Н_в, Н_ПР-j, Н_ТО-j - трудомісткість одиниці відповідно, відновлення, поточного ремонту та технічного обслуговування тягового рухомого складу, чол-год; t_в.м.м. - витрата часу на мийку секції моторвагонного рухомого складу, год; L_j - пробіг тягової одиниці між j-ми видами ремонту та технічного обслуговування, км; l_м. - пробіг моторвагонного рухомого складу між суміжними мийками, км; - нормативна константа, що переводить умовну оцінку викидів шкідливих речовин в грошову, грн.; - показник відносної безпеки забруднення повітря над територіями різних типів; - поправка на підйом факела викидів в атмосферу; f - поправка, яка враховує характер розсіювання домішок в атмосфері; А_n - показник відносної агресивності n-ої шкідливої речовини, умовн. т.; W - загальне число шкідливих речовин, які викидаються до атмосфери; , , , , - ціна придбання відповідно, тепловоза, електровоза, маневрового тепловоза, дизель-поїзда, електропоїзда, грн.; , , , , - витрати на транспортування відповідно, тепловоза, електровоза, маневрового тепловоза, дизель-поїзда, електропоїзда, грн.;, , , , - прямі виробничі витрати на одиницю експлуатаційної роботи відповідно, тепловоза, електровоза, дизель-поїзда, електропоїзда та за час роботи маневрового тепловоза, грн.; ,, - прямі виробничі витрати на екіпіровку за оборот відповідно, тепловоза, електровоза, та за час роботи маневрового тепловоза; , , , , - прямі виробничі витрати на здійснення одиниці j-ого виду поточного ремонту відповідно, тепловоза, електровоза, дизель-поїзда, електропоїзда та маневрового тепловоза, грн.; , , , , - прямі виробничі витрати на здійснення одиниці j-ого виду технічного обслуговування відповідно, тепловоза, електровоза, дизель-поїзда, електропоїзда та маневрового тепловоза, грн.; - прямі виробничі витрати на відновлення працездатності після відмови відповідно, тепловоза, електровоза, дизель-поїзда, електропоїзда та маневрового тепловоза, грн.; - прямі виробничі витрати за оборот дизель-поїзда відповідно, на обслуговування та прибирання, грн.; , - прямі виробничі витрати за оборот електропоїзда відповідно, на обслуговування та прибирання, грн.; ,,,, - ціна одиниці j-ого виду капітального ремонту відповідно, тепловоза, електровоза, маневрового тепловоза, дизель-поїзда, електропоїзда, грн.; - ціна модернізації відповідно, тепловоза, електровоза, маневрового тепловоза, дизель-поїзда, електропоїзда, грн.; - відповідно, загальновиробничі та адміністративні витрати локомотивного депо, грн.; - загальний вантажообіг локомотивного депо, ткм брутто; - загальні локомотиво-години маневрової роботи локомотивного депо, лок-год; - локомотиво-години маневрової роботи z-ої серії маневрових тепловозів, лок-год; ,,,, - річна складова вартості життєвого циклу відповідно, тепловоза, електровоза, маневрового тепловоза, дизель-поїзда, електропоїзда, грн.

В основу методу визначення складових техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу покладено засіб безпосереднього розрахунку витрати енергетичних, матеріальних та трудових ресурсів на виконання одиниці експлуатаційної роботи та утримання тягової одиниці в технічно справному стані в рік t життєвого циклу, а саме:

1) експлуатація за типом тяги та видами руху

- тепловозна тяга в пасажирському та вантажному русі

, (7)

- електровозна тяга в пасажирському та вантажному русі

, (8)

- електричний моторвагонний рухомий склад (дизель-поїзд) у приміському русі

, (9)

- тепловозна тяга в маневровому русі на маневровій гірці та при виконанні вивізної роботи

, (10)

, (11)

2) екіпірування

, (12)

3) відновлення працездатності після відмови тягової одиниці

, (13)

4) поточний ремонт та технічне обслуговування j-го виду тягової одиниці

, (14)

5) обслуговування та прибирання електросекцій моторвагонного рухомого складу (дизель-поїзда)

, (15)

, (16)

де М_ек.пс., М_ек.п. - річна кількість екіпірувань локомотива відповідно, піском та паливом; - оборот відповідно, локомотивної бригади та тягової одиниці, год; w_е - потужність вагономийної машини, кВт; S_доб. - добовий пробіг моторвагонного рухомого складу або дизель-поїзда.

Для визначення енергетичної складової техніко-економічних показників та складової екологічних показників функціонування існуючих типів тягового рухомого складу з урахуванням виду та умов експлуатаційної роботи (табл. 4) було розроблено 2-ох та 3-ох факторні математичні моделі другого порядку питомої витрати палива У_п та електроенергії У_е на тягу поїздів та викиду n-ої шкідливої речовини тепловозом на вимірник експлуатаційної роботи виду:

, (17)

де а₀, а_ij, а_jj- коефіцієнти кореляції; Х₁, Х₂ … Х_k - змінні фактори експлуатації;

k - кількість факторів експлуатації.

Змінні фактори було вибрано на основі аналізу значимості їх впливу на функцію відгуку У_п, У_е та . Для отримання коефіцієнтів кореляції моделей (табл. 5 та 6) було застосовано методи тягових розрахунків та планування експерименту, а також результати дослідження фактичного питомого викиду n-ої шкідливої речовини магістральними та маневровими тепловозами в залежності від їх фактичного терміну служби.

Достовірність отриманих багатофакторних математичних моделей питомої витрати палива та електроенергії на тягу поїздів перевірялась шляхом зіставлення з фактичними даними експлуатації. Різниця не перевищувала 5 %.

На теперішній час до транспортних засобів, що розробляються, висуваються жорсткіші вимоги щодо характеристик по викидах шкідливих речовин. Тобто оцінка техніко-економічних показників функціонування тягового рухомого складу повинна доповнюватися оцінкою екологічних показників. Таку оцінку теж необхідно здійснювати протягом життєвого циклу з урахуванням особливостей експлуатаційної роботи.

В основу методу визначення щорічної екологічної складової показників функціонування тягової одиниці покладено засіб безпосереднього розрахунку викиду n-ої шкідливої речовини тепловозом при виконанні одиниці експлуатаційної роботи та річного обсягу цієї роботи (табл. 7). Для цього було використано багатофакторні математичні моделі питомого викиду n-ої шкідливої речовини тепловозом на вимірник експлуатаційної роботи .

...