Влияние конструкции горки, структуры вагонопотока и внешней среды на качество заполнения путей сортировочного парка

Практический опыт эксплуатации сортировочных горок показывает, что в настоящее время задача обеспечения качественного1 заполнения сортировочных путей окончательно не решена [35,71,72]. Значительное число отцепов не докатывается до вагонов, стоящих на путях, образуя «окна» [32]. В это же время отмечается достаточно большое число случаев соударения с недопустимо высокими скоростями, при этом зачастую происходит повреждение вагонов и грузов. Согласно официальной статистике, из общего числа вагонов, поврежденных на станциях сети, около 70% выводятся из строя на сортировочных горках [58] и за последние годы отмечается значительное увеличение количества случаев повреждения вагонов [35,72].

Среди возможных причин, обусловливающих подобную ситуацию с заполнением подгорочных путей, несоответствие реального продольного профиля сортировочных устройств проектунедостаточность тормозных средствошибки оператора при торможении отцеповсбои в работе системы торможения, вызванные как лолным, так и частичным (выражающимся в реализации тормозной мощности, которая оказывается значительно ниже номинальной) отказом технических средствпогрешности определения характеристик отцепов в связи с недостаточно адекватным учетом большого числа случайных факторов (в том числе влияния ветровых условий), а также ряд других причин, часто с трудом поддающихся формализации.

Для решения задачи обеспечения качественного заполнения сортировочных путей необходимо иметь точные данные о влиянии на этот процесс каждого из перечисленных факторов. Наличие таких данных позволит разрабатывать проектно-технические решения, направленные на оптимизацию параметров сортировочных горок с целью, как улучшения заполнения путей, так и обеспечения соблюдения требований ГГГЭ о безопасных условиях соударения вагонов.

1 Качество заполнения путей накопления в данной работе понимается в двух аспектах: обеспечение докатывания отцепов до стоящих на пути вагонов без образования «окон» и подход к вагонам со скоростью, не превышающей установленную ПТЭ допустимую скорость соударения. Для обозначения первого из аспектов качества заполнения путей в данной работе используется термин «степень заполнения пути».

Необходимо отметить, что возможность проведения точной количественной оценки влияния на процесс заполнения путей различных внешних и внутренних факторов значительно осложняется тем, что в реальных условиях работы горки трудно, а зачастую невозможно четко определить, в какой степени тот или инои фактор повлиял на качество заполнения сортировочного пути. Наличие одновременного влияния целого ряда взаимодействующих переменных величин, многие из которых (в частности, характеристики отцепов, скорость и направление ветра) носят случайный характер, создает своего рода «шум», на фоне которого исследовать какой то определенный фактор практически не представляется возможным. Отсутствие достаточного объема достоверных данных о влиянии различных факторов на процесс заполнения путей накопления вагонов препятствует разработке эффективных проектных, инженерно-технических и организационных мероприятий, направленных на кардинальное улучшение ситуации с обеспечением минимального объема работы по осаживанию вагонов на путях сортировочного парка и увеличением сохранности вагонов и грузов за счет безусловного соблюдения требований ГТГЭ о безопасных скоростях соударения вагонов. Такая ситуация свидетельствует об актуальности выбранного направления исследований.

Целью проводимых исследований является оценка влияния различных внешних и внутренних факторов на качество заполнения путей сортировочного парка. Среди таких факторов конструктивные параметры горки, структура перерабатываемого вагонопотока и ряд условий внешней среды (температура атмосферного воздуха, скорость и направление ветра).

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены следующие исследовательские задачи:

1. Выполнить анализ современного состояния теории и практики проектирования сортировочных горок с точки зрения оценки качества процесса заполнения путей накопления вагонов.

2. Разработать имитационную модель процесса заполнения пути накопления вагонов в сортировочном парке, обеспечивающую учет всех существенных факторов (в том числе случайных), влияющих на процесс свободного скатывания отцепов.

3. С использованием разработанной модели провести исследования по оценке влияния на качество заполнения сортировочного пути (в части, относящейся к степени заполнения полезной длины) факторов внешней среды, высоты сортировочной горки и структуры составапредложить методику статистической обработки получаемых результатов, учитывающую вероятностный характер ветровых условий.

4. Оценить влияние на качество заполнения путей ветровых условий (с точки зрения обеспечения требований ПТЭ о безопасных скоростях соударения вагонов) и разработать методику определения точек размещения и мощности дополнительных средств регулирования скоростей движения отцепов на путях сортировочного парка.

5. Разработать методику количественной оценки влияния степени заполнения сортировочных путей на простой составов в ожидании расформирования на основании среднего числа осаживаний, приходящихся на один формируемый состав.

Предметом исследования в данной работе является процесс заполнения путей накопления вагонов в сортировочном парке. Объект для проведения исследований — сортировочная горка и пути накопления вагонов.

Методологической и теоретической основой проводимых исследований является действующая теория проектирования сортировочных горок, труды отечественных и зарубежных авторов, посвященные вопросам исследования, проектирования и эксплуатации сортировочных устройств, в частности, работы таких ученых и специалистов, как В. Д. Никитин, И. И. Страковский, Е. В. Архангельский, Н. В. Правдин, В. Я. Негрей, П. В. Бартенев, С. П. Бузанов, А. М. Карпов, Ю. А. Муха, А. И. Павловский, Е. А. Сотников, Я Б. Тишков, Н. И. Федотов, Е. В. Нагорный, В. П. Шейкин, В. И. Бобровский, С. С. Мацкель, А. В. Быкадоров, И. В. Берестов и другие.

В ходе выполнения работы использовались методы имитационного моделирования, теории вероятностей и математической статистики, теории планирования экспериментов.

Информационной базой исследования являлись:

1. Данные и сведения из книг и журнальных статейматериалы научных и научно-технических конференций, диссертационных работ и авторефератов диссертацийсборники научных трудов вузов МПС и ВНИИЖТастатьи из иностранных журналовинформационные источники Интернет.

2. Нормативные данные из официально утвержденных документов, относящихся к правилам и нормам проектирования сортировочных устройств и станций, а также методические рекомендации МПС, касающиеся проектирования сортировочных горок.

3. Реальная проектная документация сортировочных горокпервичные источники данных о структуре вагонопотока, перерабатываемого на реальной станции (сортировочные листы).

4. Справочные материалы по официальной метеорологической статистике.

5. Результаты собственных расчетов и выполненных экспериментов.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

1. На основании анализа современного состояния теории и практики проектирования сортировочных горок установлено, что задача обеспечения заполнения сортировочных путей без «окон» и при гарантированном обеспечении безопасных скоростей соударения вагонов до настоящего времени полностью не решена, в том числе из-за недостатка информации о влиянии на процесс заполнения путей различных внешних и внутренних факторов. Показано, что существующие методы исследования процесса заполнения путей не обеспечивают необходимого учета значительного числа случайных факторов, в частности, индивидуальных характеристик каждого вагона и факторов внешней среды.

2. Разработана имитационная модель процесса заполнения путей накопления вагонов. В отличие от исследования движения абстрактных расчетных бегунов или их аналогов модель обеспечивает рассмотрение скатывания отцепов различной длины, при этом каждый вагон отцепа считается обладающим индивидуальными характеристиками, в частности, типом, массой, сопротивлением движению. Эти характеристики рассматриваются как случайные величины, определяются на основе обработки реальных данных о структуре перерабатываемого на горке ваго-нопотока методами математической статистики и задаются при помощи функций распределения. Основное сопротивление движению вагонов впервые рассматривается на всей генеральной совокупности возможных значений. Другие виды сопротивления при свободном скатывании определяются в динамике, с учетом ориентации оси сортировки, плана и профиля надвижной и спускной частей горки и сортировочных путей.

3. В ходе проведения исследований получена количественная оценка влияния на степень заполнения сортировочных путей температуры атмосферного воздуха, скорости и направления ветра, высоты горки и структуры накапливаемых составов. Такая оценка выполнена на основании среднего числа осаживаний, приходящихся на один формируемый состав. Разработана методика статистической оценки этой величины, обеспечивающая учет вероятностного характера ветровых условий местности, в которой будет происходить эксплуатация сортировочного комплекса.

4. Исследования по количественной оценке влияния различных ветровых условий на безопасность соударения вагонов позволили получить зависимости для определения доли отцепов, требующих дополнительного торможения на сортировочных путях, для различных вариантов скорости и направления ветра и конструкции продольного профиля сортировочных путей.

5. Разработана методика определения точек размещения и мощности дополнительных средств регулирования скоростей отцепов на сортировочных путях, вероятностно обоснованно учитывающая влияние ветра на условия соударения вагонов, в отличие от существующих методик, уже на стадии проектирования сортировочного комплекса.

Практическая значимость исследования заключается в следующем:

1. Разработанная программа имитации процесса заполнения сортировочного пути может использоваться при проведении исследований процессов заполнения путей накопления вагонов для любых горочных сортировочных устройств, существующих или вновь проектируемых, при любой структуре перерабатываемого вагонопотока. Практическое применение программы возможно в проектных и научно-исследовательских организациях системы МПС, железнодорожных вузах, в том числе в учебном процессе.

2. Рекомендации по учету влияния ориентации оси сортировки, высоты горки и структуры составов на степень заполнения сортировочных путей позволят перевести задачу учета процесса заполнения путей накопления при проектировании горочных устройств в область инженерных расчетов и могут быть использованы проектными организациями.

3. Методика определения среднего числа осаживаний с учетом вероятностного характера ветровых и температурных условий может использоваться на практике при проектировании и переустройстве сортировочных устройств.

4. Методика определения точек размещения и мощности дополнительных средств торможения на сортировочных путях может быть использована в практике проведения инженерных расчетов организациями, занимающимися разработкой автоматизированных и автоматических систем регулирования скоростей движения отцепов.

Выработанные в ходе выполнения данной работы рекомендации по учету влияния ветровых условий и высоты горки на качество заполнения сортировочных путей были использованы при разработке проекта сортировочной горки малой мощности для сетевого ПТО на станции Алтайская Зап.-Сиб. ж.д.

Разработанная программа имитации процесса заполнения пути используется в учебном процессерезультаты выполненных исследований включены в содержание лекционного курса дисциплины «Железнодорожные станции и узлы».

Основные положения диссертации опубликованы в шести работах, в том числе двух статьях и материалах докладов. Доклады были заслушаны на трех межвузовских научно-практических конференциях «Интеллектуальный потенциал Сибири» (1998 г., 2001;2002 гг.) и научно-технической конференции «Наука и молодежь 21 века» (2002 г.). Доложенные положения получили одобрение и были отмечены дипломами (2002 г.).

На защиту выносятся следующие основные положения:

• имитационная модель процесса заполнения пути накопления вагонов;

• результаты исследований влияния высоты сортировочной горки, структуры составов, ветровых и температурных условий на степень заполнения пути накопления;

• методика определения среднемесячного и среднегодового числа осаживаний с учетом вероятностного характера ветровых условий местности;

• методика определения количества и мощности дополнительных тормозных средств на путях сортировочного парка, основывающаяся на вероятностном учете ветровых условий.

Выводы, сделанные по результатам выполненной работы, нашли практическое применение. Рекомендации, касающиеся определения высоты горки и направления оси сортировки, рациональных с точки зрения минимизации работы по осаживанию, а также разработанная методика определения среднего числа осаживаний с учетом вероятностного характера ветровых условий использовались при разработке проекта сортировочной горки малой мощности на станции Алтайская Зап.-Сиб. ж.д. Программа имитации процесса заполнения пути накопления вагонов и разработанные методики используются в учебном процессеряд полученных результатов включен в материалы лекционного курса по дисциплине «Железнодорожные станции и узлы» (справки о практическом использовании результатов работы приведены в приложении 4).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Задачи, стоящие в настоящее время перед железнодорожным транспортом, требуют новых подходов к обеспечению эффективности его работы. Одним из основных направлений совершенствования перевозочного процесса является сокращение затрат по переработке вагонов на станциях. Процесс заполнения сортировочных путей на горочных станциях, являющийся предметом исследования в данной диссертационнои работе, должен рассматриваться в двух аспектах: с точки зрения степени заполнения путей при расформировании составов на горке и с позиции соблюдения безопасности при соударении отцепов на путях сортировочного парка. Низкая степень заполнения путей обусловливает значительный объем маневровой работы по осаживанию вагонов, увеличивая горочный технологический интервал и снижая перерабатывающую способность горки, что выражается в росте затрат, связанных с переработкой вагонов на станции. Нарушения требований ПТЭ о допустимой скорости соударения отцепов приводят к повреждению вагонов и грузов и зачастую создают угрозу безопасности станционных технологических процессов. Расходы по ремонту повреждаемого на горках подвижного состава (особенно в условиях значительной изношенности вагонного парка), а также компенсации за нарушение сохранности грузов в настоящее время требуют достаточно значительных затрат финансовых и других ресурсов.

Кардинальное улучшение ситуации с обеспечением качественного заполнения сортировочных путей невозможно без количественной оценки влияния на процесс заполнения различных внешних и внутренних факторов. Установление такого влияния требует изучения процессов скатывания отцепов и заполнения путей в чистом виде, с устранением возможных шумов, затрудняющих выделение из всей совокупности влияющих факторов именно того, действие которого необходимо оценить. Методы натурных обследований сортировочных горок не дают такой возможности в силу самой специфики постановки пассивных экспериментов. Это обусловливает необходимость использования моделей реальных процессов, основанных на имитации заполнения пути накопления вагонов на ЭВМ.

В диссертационной работе ставилась цель исследования влияния на процесс заполнения сортировочного пути конструктивных параметров сортировочной горки, ветровых и температурных условий внешней среды, структуры накапливаемых составов. В качестве основного метода выполнения исследований выбрано имитационное моделирование, позволяющее с использованием возможностей современной вычислительной техники реализовать сложную алгоритмическую модель, описывающую динамику процесса скатывания отцепов и заполнения сортировочного пути, с учетом случайного характера большого числа факторов.

По результатам всей выполненной работы сделаны следующие выводы: На настоящий момент влияние конструктивных параметров сортировочной горки и факторов внешней среды на процесс заполнения отцепами путей сортировочного парка исследовано в недостаточной степени. Существующим методам исследования рассматриваемых процессов, в том числе использующим имитационные модели работы горки, свойственен ряд недостатков, связанных с неполным и не вполне корректным учетом некоторых случайных факторов, влияющих на процесс скатывания отцепов и заполнение пути накопления.

2. Разработанная автором имитационная модель процесса заполнения пути накопления вагонов позволяет детально рассматривать процесс скатывания отцепов и заполнения пути накопления, устанавливая зависимости между важнейшими показателями этого процесса и элементами конструкции сортировочного комплекса, а также другими внешними и внутренними факторами, влияющими на процесс расформирования составов и накопление вагонов на подгорочных путях. Принципиальные отличия предлагаемой программы от существующих имитационных моделей, обеспечивающие большую сравнительную степень ее адекватности реальному процессу, заключаются в следующем: учете структуры перерабатываемого вагонопотока по типам и весовым категориям с наделением каждого вагона индивидуальной массойучете структуры отцепопотокарассмотрении основного сопротивления движению вагонов на всей генеральной совокупности возможных значенийкорректном рассмотрении всех видов сопротивления, действующих на отцепы при свободном скатывании (основного, от воздушной среды и ветра, от кривых и стрелочных переводов, от снега и инея), с учетом динамики их изменения.

3. Появление ветра определенных направлений оказывает значительное негативное воздействие на степень заполнения путей накопления вагонов. Так, при ориентации оси сортировки «юг-север» при направлениях ветра, соответствующих углу 45 разница в уровне среднего числа осаживаний для скорости ветра 5.5 и 13.5 м/с составляет при различной температуре в среднем от 130 до 160%, для скорости ветра 5.5 и 21.5 м/с — от 180 до 280%.

4. При понижении температуры воздуха ниже -40 °С при скорости условно попутного ветра более 13 м/с происходит быстрый рост среднего числа осаживаний. Так, для угла направления ветра 180 0 при понижении температуры от -10 до -50 °С среднее число осаживаний увеличилось на 315% для скорости ветра 5.5 м/с и только на 140% для скорости ветра 17.5 м/с.

5. Наиболее значительное улучшение заполнения сортировочных путей при увеличении высоты горки обусловлено появлением достаточно сильных (более 13 м/с) ветров встречного направления (например, при ориентации оси сортировки «юг-север» это углы направления ветра 0, 45, 225, 270 и 315°).

6. Наихудшая степень заполнения подгорочного пути при любых ветровых условиях обеспечивается при накоплении составов, состоящих из вагонов легкой весовой категории. Наиболее значительная разница в среднем числе осаживаний между наиболее и наименее тяжелыми составами отмечается при углах направления ветра 0, 270 и 315 0 (до 800 — 1000% при углах направления ветра 0 и 315 0 при ориентации оси сортировки «юг-север»).

7. При увеличении высоты горки наибольший эффект, связанный с уменьшением значений среднего числа осаживаний, наблюдается для составов, в структуре которых преобладают вагоны легкой весовой категории. Так, увеличение высоты с 3.38 до 3.76 м для составов из вагонов легкой весовой категории привело к улучшению степени заполнения путей в среднем на 20 — 40%, а для составов из вагонов тяжелой весовой категории — на 10 — 20%. В этой связи при проектировании сортировочных горок, которые будут заниматься переработкой вагонопотока со значительной (более 50%) долей вагонов легкой весовой категории рекомендуется отдавать предпочтение вариантам, предполагающим сооружение более высокой горки.

8. Значительное влияние на заполнение сортировочных путей оказывают местные условия (температура воздуха, скорость и направление ветра), вследствие чего выработка единых для всех проектируемых сортировочных горок рекомендаций по количественному учету влияния этих факторов на процесс заполнения подгорочных путей нецелесообразна. При проектировании необходимо переходить к учету индивидуальных вероятностных характеристик условий внешней среды с использованием разработанной методики определения среднего числа осаживаний, которая основывается на вероятностном подходе к расмотрению природных факторов и позволяет количественно оценивать эффективность различных мероприятий, направленных на улучшение степени заполнения сортировочных путей, в частности, обосновывать выбор направления оси сортировки и высоты горки, рациональных с точки зрения минимизации работы по осаживанию вагонов.

9. Под действием определенных ветровых условий некоторая часть отцепов на полезной длине сортировочных путей за парковой тормозной позицией самопроизвольно разгоняется и подходит к вагонам, стоящим на пути, со скоростью, значительно превышающей допустимую скорость соударения. Минимальное расстояние, на котором происходит подобный разгон, может достигать 50 — 60 м, что указывает на возможность повторного набора значительной скорости даже при многократном торможении отцепов на сортировочном пути. Вследствие этого варианты конструкции продольного профиля сортировочного пути с расположением основной части полезной длины пути за парковой тормозной позицией на спуске и на горизонтальной площадке не позволяют обеспечить соблюдения требований ПТЭ о допустимых скоростях соударения вагонов.

10. Разработанная методика определения мест размещения дополнительных средств торможения на сортировочных путях учитывает случайный характер ветровых условий и особенности процесса заполнения пути накопления при различных условиях. Расчеты показали, что в большинстве случаев расстояние междуточками торможения на сортировочных путях должно составлять от 60 до 150 м, при условии реализации на каждой точке тормозной мощности 0.12 м.э.в. (с необходимой надежностью). Методика и материалы, полученные в ходе проведения исследований, позволяют решать вопросы о размещении дополнительных средств регулирования скоростей отцепов на сортировочных путях для условий работы любых горочных станций, действующих или вновь проектируемых, при любой структуре вагонопото-ка и ветровых условиях.

11. Результаты расчета показателей парка приема, выполненные с использованием разработанной методики оценки влияния степени заполнения сортировочных путей на простой составов в ожидании расформирования при фиксированных значениях элементов горочного интервала, не связанных с осаживанием вагонов показали, что при более чем одном осаживании на состав происходит быстрое (практически экспоненциальное) увеличение доли затрат времени на осаживание вагонов в горочном интервале. Первоочередные меры по улучшению заполнения путей должны быть направлены на сокращение числа осаживаний до значений менее одного осаживания на формируемый состав, что позволит значительно уменьшить величину горочного интервала и эксплуатационные расходы, связанные с простоем составов в парке приема в ожидании расформирования.

12. Расчет расходов по простою составов в ожидании расформирования, обусловленных занятостью горочного локомотива осаживанием вагонов, выполненный для нескольких вариантов высоты горки при различных объемах работы по расформированию, показал, что эффективность мероприятий, направленных на улучшение степени заполнения путей (в частности, от увеличения высоты горки) повышается по мере роста загрузки горки. Можно прогнозировать значительный рост экономической эффективности мероприятий, направленных на улучшение заполнения сортировочных путей при первоначальных значениях среднего числа осаживаний на один формируемый состав, больших единицы.