CC BY
81
Рис. 7. Теоретическое распределение величины остатка
Заключение
На основе проведенных исследований можно сделать следующиие выводы:
1. Величина остатка зависит от величины группы вагонов, поступающей на путь накопления.
2. С увеличением отклонения от нормы составов ±Am величина остатка уменьшается.
3. Была получена общая зависимость, характеризующая распределение величины переходящего остатка после накопления смежных составов от отклонения от нормы составов ±Am. Данная
л
зависимость описана уравнением то = 0,039Am - 1,2546Am + 10,713. Определение величины остатка позволит уточнить затраты на накопление при расчете плана формирования. Данный способ расчета открывает возможность расчета при гибкой норме состава, что позволяет в дальнейшем перейти к задаче оптимизации нормы состава.
Библиографический список
1. Новый подход к расчету затрат вагоночасов на накопление / В. А. Кудрявцев, Я. В. Кукушкина, Ш. М. Суюнбаев // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2010. - Вып. 1 (22). - С. 5-10.
2. Учебник по MathCAD [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://detc. usu.ru/Assets/ aMATH0021/L7_2.htm#l7.2.
Статья поступила в редакцию 12.07.2010;
представлена к публикации членом редколлегии Вал. В. Сапожниковым
УДК 625.144.5
Вааил Махмод Лафта
СИСТЕМАТИКА ВОЗМОЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА СПЕЦИАЛЬНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Рассматриваются вопросы, связанные с развитием систематики возможных источников информации для оценки остаточного ресурса подвижного состава, условия эксплуатации которого недостаточно исследованы. Анализируются все нечеткие факторы, которые играют важную роль в оценке остаточного ресурса подвижного состава. Нечеткими факторами являются параметры, информация о точных значениях которых неизвестна.
подвижный состав, остаточный ресурс, неполнота исходных данных, нечеткие факторы, срок службы.
Введение
В настоящее время парк отечественного подвижного состава значительно изношен. Степень износа, например, грузовых вагонов достигает 80 %, а степень износа специального подвижного состава - 90 %. Однако этот износ определяется «формально», исходя из назначенного срока службы, установленного в технической документации на подвижной состав. В то же время для многих типов путевой техники назначенный срок службы устанавливался без должного технического и экономического обоснования. Таким образом, значительная часть формально изношенного парка имеет значительный остаточный ресурс и еще может эффективно эксплуатироваться.
Остаточный ресурс подвижного состава является его важной техникоэкономической характеристикой. Определение остаточного ресурса подвижного состава не только позволяет предупреждать возможные отказы и непредвиденные достижения предельных состояний, но и более правильно планировать режимы эксплуатации, профилактические мероприятия и снабжение запасными частями. В ряде случаев рентабельная эксплуатация может быть продолжена в условиях снижения нагрузок, т. е. прогнозирование остаточного ресурса можно рассматривать как систему управления процессом эксплуатации и технического обслуживания подвижного состава [1].
1 Методы учета неопределенности в решении практических инженерных задач совершенствования подвижного состава
От правильного решения практических инженерных задач зачастую зависит не только эффективность работы конструкции, машины или механизма, что само по себе немаловажно, но и степень риска, связанного с возможными последствиями их отказа. Стремясь повысить эффективность разрабатываемых конструкций, конструкторы и технологи усложняют расчетные модели, повышают сложность экспериментов, вводят в сферу рассмотрения новые факторы, влияющие, по их мнению, на эффективность и безопасность конструкции. При этом расхождение между практикой эксплуатации и натурными экспериментами конструкции может уменьшаться (что соответствует ожиданиям разработчиков конструкции), увеличиваться или непредсказуемо изменяться в каждом конкретном случае [2].
Такое поведение реальных конструкций, в отличие от их детерминированных моделей, вызвано неопределенностью многих факторов, таких как фактические значения параметров конструкции, релевантность (степень соответствия) описания реальной конструкции ее математической модели, неопределенная природа внешних воздействий на конструкцию и многих других. Для учета этих неопределенностей в инженерных моделях применяется математический аппарат: теория вероятностей, математическая статистика, теория нечетких множеств, теория хаоса и пр.
К основным видам неопределенностей в описании моделей прочности и надежности подвижного состава относятся [2]:
1. Стохастическая неопределенность параметров модели, например, разброс фактических значений размеров соединения в поле допуска. Стохастическая неопределенность, являясь достаточно хорошо изученным видом неопределенности, описывается случайной переменной и обрабатывается методами теории вероятностей.
2. Лингвистическая неопределенность параметров возникает в тех случаях, когда параметры заданы на качественной шкале, например, «затяжка болта до упора» (лингвистическая неопределенность параметров режима технологии обработки). Лингвистическая неопределенность может описываться лингвистическими переменными, которые обрабатываются методами теории нечетких множеств.
3. Информационная неопределенность параметров, которая возникает в тех случаях, когда полная информация о параметре недоступна, а определение этой информации невозможно или нецелесообразно.
4. Информационная неопределенность зависимостей, входящих в модель. Такого вида неопределенность возникает в силу определения понятия «модель», которое подразумевает упрощенное представление о процессах, протекающих в реальной конструкции, с вычленением основных, с точки зрения исследователя, факторов за счет принимаемых допущений и упрощений. Информационную неопределенность принято характеризовать понятием релевантности.
К основным методам оперирования неопределенностью относятся давно известные методы теории вероятностей: статистическое
моделирование; анализ и синтез корреляционных и регрессионных моделей; дисперсионный, компонентный, кластерный и дискриминантный анализ; спектральный анализ случайных процессов и полей; методы теории информации, теории катастроф и теории восстановления.
Однако все построения теории вероятности основаны на возможности многократного достоверного повторения серии экспериментов (выборки). На практике такое построение генеральной совокупности по различным причинам не представляется возможным. К таким причинам относятся: невозможность или нецелесообразность проведения многократных экспериментов, ограниченность фиксируемого при экспериментах объема информации, а также размытая природа фиксируемой информации. Для оперирования неопределенностью в таких условиях применяются методы теории возможностей, теории нечетких множеств, теории грубых множеств и т. д.
Учитывая специфику задач учета неопределенности при построении моделей определения остаточного срока службы специального подвижного состава, для решения этих задач наиболее подходящими являются методы теории вероятностей и теории нечетких множеств.
2 Систематика возможных источников информации для оценки остаточного ресурса подвижного состава
Задача определения остаточного срока службы специального подвижного состава является весьма сложной вследствие ряда причин, а именно:
механизмы достижения предельного состояния несущих конструкций специального подвижного состава детально не изучены;
степень влияния на развитие этих механизмов различных факторов, таких как нагрузки на несущую конструкцию в транспортном и, главное, в рабочем режимах эксплуатации; ремонтные воздействия; внешние условия эксплуатации и т. п., точно не известна [1, 2, 3]:
исходные данные для анализа остаточного ресурса, такие как свойства материала несущих конструкций, нагрузки и воздействия на машину и т. п., либо отсутствуют, либо описаны нечетко (приблизительно).
Таким образом, первым шагом для анализа остаточного ресурса специального подвижного состава является сбор и обработка всей доступной исследователю информации об объекте технического диагностирования, в том числе и нечетко описанной. В дальнейшем вся эта информация может быть использована для анализа остаточного ресурса (известными методами), а также для анализа риска неточной оценки остаточного ресурса, который проводится методами теории нечетких множеств. Задачей настоящей работы является систематизация источников этой информации и определение наиболее эффективных методов ее получения.
3 Исходная информация для анализа остаточного срока службы специального подвижного состава
К наиболее распространенным моделям предельных состояний несущих конструкций подвижного состава относят:
модель общей потери прочности конструкцией вследствие ее коррозионного утонения (коррозионная прочность);
модель усталостного разрушения вследствие накопления внутренних повреждений под воздействием много- и малоцикловой усталости.
Принимая во внимание эти модели предельных состояний, весь массив исходной информации для анализа остаточного срока службы специального подвижного состава можно разделить на следующие группы.
3.1 Параметры конструкции, с которыми конструкция была выпущена заводом-изготовителем
Такая информация может быть получена путем изучения конструкторской документации на данную модель экипажа или ее модификации. Конструкторская документация, в случае ее отсутствия, может быть частично восстановлена путем реинжиниринга, т. е. способом натурных обмеров конструкции исследуемого экипажа, а также его толщинометрии. В последнем случае за исходную толщину принимается максимальное значение результатов толщинометрии того или иного элемента конструкций. В результате получают исходные
(недеформированные и некорродированные) размеры элементов, с которыми экипаж был выпущен заводом-изготовителем. Нечеткость этой информации, как правило, связана с допусками на листовой и сортовой прокат, из которого была изготовлена машина, а также допусками на результаты натурных измерений геометрии экипажа [4, 5].
3.2 Параметры эксплуатации экипажа
Параметры эксплуатации экипажа - это наработка, или пробег экипажа в различных режимах эксплуатации. Данная информация может быть получена как из условно объективных источников, например паспорта машины, эксплуатационной документации, выполненных дистанцией пути объемов работ с использованием данной машины, а также путем анализа субъективной оценки интенсивности эксплуатации экипажа. Нечеткость получаемой информации возникает в основном из-за неточностей фиксации объемов работ, выполненных машиной, а также экспертного, субъективного характера ряда оценок, таких как соотношение рабочего и транспортного режима эксплуатации машины, среднего пробега и т. п.
3.3 Параметры нагруженности экипажа в различных режимах эксплуатации
Информация о параметрах нагруженности может быть получена путем измерений, экспериментальных исследований данной или подобной модели специального подвижного состава. Кроме того, эти данные могут быть получены путем математического моделирования режимов
эксплуатации подвижного состава или из норм его расчета и проектирования. Как правило, основные режимы нагружений, влияющие на достижение предельного состояния специального подвижного состава, приведены в нормативно-технической документации на расчет машин. При реальном техническом диагностировании источниками информации являются только:
математические модели (например, взаимодействия рабочих органов с элементами верхнего строения пути);
нормы расчета на прочность, в частности ОСТ 32.62-96 «Нормы прочности металлоконструкций путевых машин»;
результаты ранее проведенных исследований по нагруженности подобных типов подвижного состава, в частности, распределение вертикальных, поперечных и продольных ускорений в транспортном режиме эксплуатации [4, 5].
Основными причинами нечеткости данного рода информации являются:
расхождения между фактической и моделированной нагруженностью; недостаточная релевантность ранее исследованного, нормированного и фактического нагружения конструкции.
3.4 Свойства материала конструкции экипажа
Объективные данные о свойствах материала конструкции могут быть получены только путем разрушающих испытаний образцов материала, узлов или натурных экипажей (например, испытанием на ресурс до разрушения опытного образца). Учитывая значительные затраты, необходимые для проведения таких испытаний, информация о свойствах материала элементов исследуемого экипажа может быт получена косвенными методами, например магнитным или вибрационным методами неразрушающего контроля, математическим моделированием, или взяты из нормативных документов. Основными причинами нечеткости этой информации являются недостаточная релевантность косвенных методов и вероятностный разброс свойств материалов.
3.5 Фактическое состояние конструкции по результатам технического диагностирования
Информация о фактическом состоянии конструкции может быть получена путем натурного измерения геометрии конструкции, в том числе погибов и вмятин, толщинометрии и неразрушающего контроля состояния материала конструкции и ее скрытых дефектов. Данная информация необходима для оценки текущего состояния конструкции, определения динамики изменения состояния и экстраполяции процесса достижения предельного состояния во времени. Основными причинами нечеткости являются ошибки результатов измерений.
3.6 Неучтенные факторы различного рода, оказывающие значительное влияние на остаточный срок службы экипажа
К факторам, влияющим на остаточный срок службы, могут относиться факторы, связанные с особенностями климатической зоны эксплуатации машины, например скорость ветра, температура, влажность; с
особенностями свойств груза или рабочей среды путевой машины, например связность балласта и объемный вес балласта; с особенностями динамической нагруженности данного экипажа по сравнению с типовыми аналогами. Такого рода информация может быть получена в результате дополнительных натурных экспериментов либо использования справочных данных и ранее проведенных исследований. Основной причиной нечеткости является недостаточная релевантность имеющейся
информации фактической (см. табл.).
ТАБЛИЦА. Схема сбора исходной информации для оценки остаточного срока службы специального подвижного состава в условиях неполноты информации
Вид информации Методы сбора и источники информации Получаемые параметры
1 2 3
Исходные параметры конструкций Конструкторская документация, натуральные измерения, анализ результатов толщинометрии Размеры элементов, толщина элементов, допуски на толщину
Параметры эксплуатации Паспорт машины, эксплуатационная документация Наработка (моточасы или километры пробега) в рабочем и транспортном режимах
Параметры нагруженности (силы, действующие на специальный подвижной состав) Нормы расчета, натурные измерения, математические модели Расчетная нагруженность, экспериментальная нагруженность
Свойства материала конструкции Нормативная документация, неразрушающие исследования, разрушающие испытания, математическое моделирование Предельные значения, указанные в ГОСТах; экспериментальная оценка свойств материала; математическое моделирование свойств материала
Окончание таблицы
1
2
3
Результаты технического диагностирования Обмеры геометрии конструкции, проведение толщинометрии конструкции, неразрушающий контроль Фактические размеры, отклонение геометрии от нормы; фактические толщины с учетом коррозионного и абразивного износа; оценка размеров внутренних дефектов
Неучтенные факторы Ходовые испытания, физико-механические испытания балласта Распределение амплитуд вертикальных ускорений кузова, физикомеханические свойства балласта
Заключение
Результатом настоящей работы является систематизация источников сбора исходной информации для оценки остаточного срока службы специального подвижного состава в условиях неполноты информации. Среди такого рода источников превалирует анализ конструкторской, эксплуатационной и нормативной документации, а также натурные измерения объекта технического диагностирования. Показано, что практически все источники информации имеют нечеткую составляющую, которая может влиять на результаты оценки остаточного ресурса. Таким образом, для объективной оценки технических рисков, связанных с оценкой остаточного срока службы специального подвижного состава, необходим прикладной метод, позволяющий оценивать остаточный ресурс с учетом нечеткости исходной информации.
Библиографический список
1. Управление индивидуальным ресурсом вагонов в эксплуатации / А. В. Третьяков. - М. : ОМ-пресс, 2004. - 348 c. - ISBN 5-901739-08-6.
2. Метод синтеза нечетких моделей прочности для совершенствования соединений элементов конструкций подвижного состава / А. М. Соколов. - СПб. : ОМ-пресс, 2006. - 11 с. : ил.
3. Контроль динамики железнодорожного подвижного состава / И. Г. Морчиладзе, М. М. Соколов, А. В. Третьяков. - М. : ИБС-холдинг, 2007. -358 с. - ISBN 978-5-98788-013-5.
4. Проектирование, конструирование, расчет и испытания вагонов / И. Г. Морчиладзе, А. М. Соколов, М. М. Соколов. - М. : ИБС-холдинг, 2009. - 522 с. - ISBN 978-5-98788-018-0.
5. Разработка и модернизация средств технического обслуживания железнодорожного пути : дис. ... д-ра техн. наук : 05.22.07 : защищена 01.11.07 : утв. 24.02.08 / Сычев Вячеслав Петрович. - М., 2008. - 250 с. - Библиогр. : с. 210-250.
Статья поступила в редакцию 20.04.2010;
представлена к публикации членом редколлегии Ю. П. Бороненко
УДК 65.011.56
