На железных дорогах России в настоящее время эксплуатируется большое количество мостов с металлическими пролетными строениями, в том числе клепаными, построенных в течение последних 100 лет. Эксплуатируемые в настоящее время мосты работают в условиях высоких скоростей движения поездов и повышенной грузонапряженности. Мосты — весьма ответственные сооружения, поэтому к надежности их функционирования предъявляются очень высокие требования.
Большой вклад в решение проблем надежности транспортных конструкций внесли ученые: А. В. Александров, К. Б. Бобылев, С. А. Бокарев, В. В. Болотин, К. П. Большаков, В. М. Бродский, В. М. Горпенченко, Л.И. Иосилев-ский, П. С. Костяев, В. М. Круглов, Е. Н. Курбацкий, В. В. Ларионов, В. П. Мальцев, Н. А. Махутов, В. Б. Мещеряков, Е. М. Морозов, Н. И. Новожилова, А. В. Носарев, В. О. Осипов, А. С. Платонов, А. А. Потапкин, В. Д. Потапов, П. М. Соломахин, Е. П. Феоктистова, А. А. Цернант, В. П. Чирков, Н. Н. Шапошников и многие другие.
Проведенная в Департаменте пути и сооружений Министерства путей сообщения России (ЦП МПС РФ) в 2002 г. техническая экспертиза состояния инженерных сооружений свидетельствует о том, что эксплуатирующиеся на сети железных дорог сооружения в основном успешно воспринимают поездную нагрузку и противостоят неблагоприятным воздействиям внешней среды. Однако на ряде дорог состояние искусственных сооружений не полностью обеспечивает требуемую безопасность и бесперебойность движения поездов.
4, 5].
Исследования, проведенные в МИИТе, показывают, что усталостный ресурс отдельных элементов главных ферм металлических пролетных строений, находящихся в эксплуатации около 60 лет, в значительной мере исчерпан [14,15,24,27].
Для безопасной эксплуатации железнодорожных мостов необходимо следить за их фактическим техническим состоянием [9, 13]. Это, с одной стороны, влечет за собой дополнительные экономические затраты, а с другой стороны, уменьшает риск разрушения моста и продлевает срок его службы, что дает экономическую прибыль. Таким образом, возникает задача оптимизации, то есть оптимального управления техническим состоянием сложной технической системы — моста, по критерию — «надежность — затраты», что означает максимум надежности при минимуме экономических затрат.
В настоящее время на практике такая задача не решается: ремонт элементов моста производится по истечении определенного времени, рассчитанного на основании среднестатистических данных. Это соответствует распространенной на сегодняшний день стратегии управления техническим состоянием мостов на основе нормируемых межремонтных сроков. Однако проведенные исследования [4, 5, 13, 18−21] показывают, что от такой стратегии необходимо переходить к стратегии управления техническим состоянием мостов по их фактическому состоянию. Применение этой стратегии позволит усовершенствовать режим эксплуатации (периодичность обследования, применение различных способов повышения ресурса и др.) с целью обеспечения требуемой надежности мостов и повышения сроков их службы.
Разработка принципов текущего содержания и капитального ремонта мостов на основе фактического технического состояния и вероятностных оценок отказов позволит гибко реагировать на изменение эксплуатационных условий, упростит решение сложных технических задач, поможет обеспечить необходимую долговечность и надежность эксплуатируемых мостов.
Поэтому проблема разработки теоретических основ и методов управления техническим состоянием эксплуатируемых мостов по их фактическому состоянию становится все более актуальной. В современных экономических условиях такой подход позволит принимать теоретически обоснованные оптимальные решения по управлению техническим состоянием мостов в соответствии с критерием «надежность — затраты» и может дать большой экономический эффект при условии обеспечения заданной надежности.
Цель исследования состоит в разработке теоретических основ и методов управления техническим состоянием моста, которые позволят перейти от стратегии управления на основе нормируемых межремонтных сроков к стратегии управления техническим состоянием мостов по их фактическому состоянию, при применении которой решается задача оптимального управления техническим состоянием моста по критерию «надежность — затраты», что означает максимизацию вероятности безотказной работы при минимуме экономических затрат.
В работе использованы методы теории вероятности, математической статистики, теории надежности, а также теория многомерных случайных процессов и методы математического и функционального анализа.
В диссертационной работе решаются новые задачи:
— разработка стратегии управления техническим состоянием моста по его фактическому состоянию;
— создание модели управления техническим состоянием моста в условиях контролируемого накопления повреждений по критерию минимума средних удельных затрат;
— построение векторного управления техническим состоянием моста при наличии нескольких стохастически зависимых параметров;
— разработка стохастической модели принятия решений на основе экспертных заключений при оценке технического состояния моста с минимальным риском;
— создание модели управления техническим состоянием моста путем оптимального предупредительного ремонта элементов.
Для решения поставленных задач в данной работе предлагаются новые методы:
— оптимизация управления техническим состоянием моста по критерию минимума средних удельных затрат с учетом накапливаемых повреждений и двухуровневого предельного состояния элемента конструкции;
— векторное управление техническим состоянием моста, строящееся на базе теории многомерных случайных процессов;
— минимизация рисков экспертных заключений при оценке технического состояния моста;
— управление техническим состоянием моста на основе вычисления оптимального интервала предупредительных замен (ремонта) «слабых звеньев»;
— вычисление вероятности безотказной работы сложной технической системы с учетом различных законов распределения для отдельных элементов.
Достоверность полученных результатов следует из достоверности примененных математических методов исследования, а также из того, что методики, разработанные на основе аналогичных методов, эффективно применяются для таких сложных технических систем как магистральные трубопроводы [11], объекты авиационной техники [2, 24, 25] и других.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем. Предлагаемый метод управления техническим состоянием сложных технических систем по критерию минимума средних удельных затрат на основе анализа рисков развития повреждений с учетом двухуровневого предельного состояния элемента, а также метод векторного управления техническим состоянием моста на основе теории многомерных случайных процессов могут быть использованы для определении оптимальной стратегии управления техническим состоянием мостов и других сложных технических систем с целью повышения надежности функционирования и экономической эффективности их эксплуатации.
Применение созданного алгоритма минимизации рисков экспертных заключений при оценке технического состояния моста позволит значительно сократить затраты на проведение экспертизы, улучшить ее качество и существенно повысить эффективность проведения экспертной оценки технического состояния моста в процессе управления его техническим состоянием.
Разработанные основы методики оптимальных предупредительных замен (ремонта) элементов в процессе управления техническим состоянием сложной технической системы являются одним из основных элементов стратегии управления техническим состоянием моста по фактическому состоянию и могут использоваться для продления ресурса моста и повышения его надежности при длительной эксплуатации.
Применение вероятностной оценки усталостного ресурса элементов пролетных строений ПСК позволит усовершенствовать режим эксплуатации (периодичность обследования, применение различных способов повышения ресурса и др.) с целью обеспечения требуемой надежности и повышения сроков их службы.
Использование предлагаемого алгоритма вычисления момента усиления элементов металлических пролетных строений железнодорожных мостов позволит оптимизировать выбор момента усиления.
Созданный на основе разработанного метода расчета вероятности безотказной работы сложных технических систем программный комплекс позволяет рассчитывать вероятность безотказной работы и остаточный ресурс системы с использованием различных законов распределения для каждого элемента в отдельности.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и двух приложений.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.
1. Проведенный в работе анализ показал, что от стратегии управления на основе нормируемых межремонтных сроков необходимо переходить к стратегии управления техническим состоянием мостов по их фактическому состоянию, при применении которой решается задача оптимального управления по критерию «надежность — затраты», что означает максимизацию вероятности безотказной работы мостов при минимуме экономических затрат.
2. В основе предлагаемого подхода лежит рассмотрение моста как сложной технической системы. Такой подход позволяет применить к мосту результаты хорошо разработанной теории сложных динамических систем со стохастически меняющимися параметрами.
3. В диссертации разработана модель управления техническим состоянием моста в условиях контролируемого накопления повреждений и построена оптимальная стратегия управления техническим состоянием моста по критерию минимума средних удельных затрат. Такая стратегия, строящаяся на базе анализа рисков развития повреждений с учетом двухуровневого предельного состояния элемента конструкции, позволяет оптимизировать финансовые затраты и повысить надежность функционирования моста в целом.
4. В работе построена математическая модель векторного управления техническим состоянием моста при наличии нескольких стохастически зависимых параметров (накапливаемых повреждений) и определены оптимальные моменты устранения повреждений в элементах пролетных строений моста. При этом выбор оптимального шага наблюдений и устранения повреждений позволит минимизировать средние удельные затраты на эксплуатацию моста.
5. В диссертации построена стохастическая модель принятия решений на основе экспертных заключений и разработан алгоритм минимизации коллективных ошибок при оценке технического состояния моста с минимальным риском. Применение приведенного алгоритма получения оптимального решения позволит существенно сократить затраты на привлечение высококвалифицированных экспертов, улучшить качество экспертного заключения и тем самым значительно повысить эффективность проведения экспертной оценки состояния моста в процессе управления его техническим состоянием.
6. В работе представлены основы методики вычисления оптимального интервала предупредительных замен (ремонта) «слабых звеньев», которая является одним из основных элементов стратегии управления техническим состоянием мостов по фактическому состоянию и обладает следующими особенностями:
— является универсальной (подходит для любой сложной технической системы, в том числе для моста любой конструкции, применима, начиная с любого момента времени функционирования моста, для любых элементов моста и для любой возрастающей функции интенсивности отказов);
— позволяет учитывать все возможные варианты замены и синхронизировать оптимальные интервалы предупредительных замен (ремонта) для различных элементов моста;
— является адаптивной (обладает возможностью уточнения расчетов при накоплении информации о техническом состоянии моста);
— обладает инвариантностью относительно типов поездов.
7. В диссертации с помощью разработанного метода вычисления оптимального интервала предупредительных замен (ремонта) произведены расчеты для подвесок пролетных строений ПСК с расчетными пролетами 33−110 м. Анализ расчетов показал, что в начале эксплуатации или после усиления элемента межремонтный интервал можно увеличить, обеспечивая при этом требуемый уровень надежности и экономическую эффективность. При введении в обращение перспективной нагрузки при той же интенсивности движения межремонтный интервал необходимо уменьшить.
8. В работе на основе методики оценки усталостной долговечности элементов металлических пролетных строений железнодорожных мостов, разработанной в МИИТе, и полученных данных проведена вероятностная оценка усталостного ресурса, предложен алгоритм вычисления и представлены результаты расчетов момента усиления элементов пролетных строений ПСК. Применение вероятностной оценки позволит усовершенствовать режим эксплуатации с целью обеспечения требуемой надежности и повышения сроков службы пролетных строений ПСК, а использование разработанного алгоритма позволит оптимизировать выбор момента усиления.
9. В диссертации изложен метод расчета вероятности безотказной работы пролетного строения на основе остаточного ресурса элементов и приводится алгоритм вычисления вероятности безотказной работы сложной технической системы, позволяющий рассчитывать вероятность безотказной работы и остаточный ресурс пролетного строения в целом с учетом различных законов распределения для отдельных элементов. На основе построенного алгоритма создан программный комплекс вычисления вероятности безотказной работы сложной технической системы и приведены результаты расчетов, выполненных для пролетных строений ПСК.
