Совершенствование системы диагностики и оценки состояния контактной сети электрифицированных железных дорог

На правах рукописи

МИТРОФАНОВ СЕМЁН АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО УрГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Галкин Александр Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ли Валерий Николаевич

кандидат технических наук, доцент

Смердин Александр Николаевич

Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «___» _______________________ 2012 г. в 14 – 00 на заседании диссертационного совета Д 218.013.01 при Уральском государственном университете путей сообщения по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, ауд. Б2-15 (283).

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке университета, на официальном веб-портале УрГУПС http://usurt.ru и на официальном сайте Министерства образования и науки РФ http://vak.ed.gov.ru /.

Автореферат разослан «____» ________ 2012 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной гербовой печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета университета.

Тел.: (912) 669-80-31; e-mail: GVasilyeva@tm.usurt.ru

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор В. Р. Асадченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Выполнение основной задачи хозяйства электрификации и электроснабжения компании холдингового типа «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД») по гарантированному обеспечению электроэнергией тяги поездов необходимо осуществлять в условиях обоснованного снижения расходов на содержание инфраструктуры. Одним из приоритетных направлений в деятельности хозяйства электрификации и электроснабжения, позволяющих перейти на качественно новый уровень экономической эффективности, является обслуживание и ремонт устройств по результатам диагностики их состояния. Для решения данной задачи в ОАО «РЖД» разработана и утверждена Программа диагностики наиболее ответственных и дорогостоящих элементов системы тягового электроснабжения. В программе наибольшее внимание уделено диагностике контактной сети как наиболее ответственной и не резервируемой части системы электроснабжения тяги поездов, в том числе посредством мобильных контрольно-вычислительных комплексов. Наиболее проблемной компонентой в системе диагностики контактной сети является адекватность отражения диагностическими оценками фактического качества содержания контактной сети. Совершенствование качества формирования диагностических оценок контактной сети предусмотрено при использовании инструментария, определенного в «Функциональной стратегии управления рисками в ОАО «РЖД», утвержденной распоряжением ОАО «РЖД» от 11.01.2007г. № 13. В данной стратегии предусмотрено выявление потенциальных областей риска, предотвращение или минимизация рисков отказов, предупреждение возникновения рисков на основе их систематического прогнозирования. В рамках данной стратегии в хозяйстве электрификации и электроснабжения приступили к освоению «Методики определения уровня безопасности движения на основе статистического анализа и индексов оценки ситуации для хозяйства электрификации и электроснабжения», разработанной ОАО «НИИАС» в 2010г. Однако полученные на практике результаты применения данного нормативного документа не в полной мере удовлетворяют требованиям эксплуатации устройств электроснабжения в связи с низким качеством и точностью прогноза показателей. Построение рисков отказов устройств электроснабжения в финансовых (денежных) показателях, проведенное в известных исследованиях, может также приводить к низкой точности их оценки, например, в связи с существенным разбросом стоимости восстановления неисправности одного и того же элемента на разных участках сети дорог. Таким образом, актуальность диссертационного исследования обусловлена необходимостью совершенствования системы диагностики контактной сети и повышением адекватности показателей качества содержания контактной сети.

Цель диссертационной работы состоит в совершенствовании методического и технико-технологического построения системы диагностики, учитывающей условия содержания, риски нарушений работы и обеспечивающей прогноз состояния контактной сети.

Достижение указанной цели осуществлялось в ходе постановки и решения следующих задач.

1. Проведение анализа адекватности существующей системы диагностики и оценок состояния контактной сети требованиям качества содержания, удовлетворенности перевозок и функциональной стратегии управления рисками ОАО «РЖД».

2. Разработка управленческо-технологической структуры системы диагностики контактной сети, позволяющей на основании методов моделирования и риск-анализа оперативно выявлять наиболее проблемные участки и виды устройств контактной сети и прогнозировать их состояние.

3. Разработка математической модели и методики проведения риск-анализа и прогнозирования состояния контактной сети, включающих построение комплексной диагностической оценки, учитывающей условия содержания, показатели нарушений и последствий нарушений контактной сети.

4. Разработка экспериментально-расчетной методики оценки положения компенсирующих грузов и вероятности разрегулировки контактной сети вследствие атмосферного и токового нагрева контактного провода.

5. Разработка методических, технологических и технических решений, улучшающих качество и адекватность диагностики контактной сети.

Объект исследования. Контактная сеть, технологии ремонта и технического обслуживания, системы управления качеством продукции (услуг).

Предмет исследования. Техническая диагностика, критерии оценки состояния систем электроснабжения.

Методы исследования. В ходе исследования использовались методы математической статистики, методы идентификации и прогнозирования, методы имитационного моделирования показателей нагрузочной способности элементов системы тягового электроснабжения, а также методы расчета линейных электрических цепей и теплопроводности проводов контактной сети.

Научная новизна работы заключается в совершенствовании методических решений и алгоритмов построения системы диагностики, оценки и прогнозирования качества содержания контактной сети на базе использования методов риск-анализа.

Основные научные результаты, полученные в работе.

1. Разработана управленческо-технологическая структура системы диагностики контактной сети хозяйства электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» дорожного уровня, отвечающая требованиям функциональной стратегии управления рисками ОАО «РЖД» и отличающаяся наличием в её составе подсистемы оперативного выявления и прогнозирования наиболее проблемных участков и видов устройств контактной сети на основании методов моделирования и риск-анализа.

2. Разработаны модель и методика риск-анализа и прогнозирования состояния контактной сети, отличающиеся вычислением рисков последствий нарушений, наличием нового диагностического показателя контактной сети – «комплексная оценка содержания КС», который позволяет учитывать фактические показатели эксплуатации и нарушения контактной сети.

3. Разработана методика экспериментально-расчетной оценки положения компенсирующих грузов и рисков разрегулировки контактной сети вследствие атмосферного и токового нагрева контактного провода, отличающаяся наличием процедуры прогнозирования положения грузов компенсатора.

4. Предложен метод повышения эффективности технической диаг-ностики контактной сети, основанный на использовании мобильных контрольно-вычислительных комплексов и отличающейся дистанционным сканированием пространственного положения устройств контактной сети, идентификацией отклонений параметров от нормативных без подъема персонала на высоту; формированием электронного паспорта участка.

Практическая значимость исследования.

Разработанная управленческо-технологическая структура системы диагностики и обслуживания контактной сети позволит оперативно выявлять и прогнозировать «проблемные» участки, виды устройств и элементы контактной сети и может быть использована в Ситуационных Центрах безопасности движения поездов дорожного уровня.

Разработанные модель и методика риск-анализа и прогнозирования состояния контактной сети могут быть использованы работниками экспертно-аналитических групп хозяйства электрификации и электроснабжения для формирования планов и условий её содержания, объемов финансирования, потребности в затратах рабочей силы, в количестве «окон» и так далее.

Разработанные конструкция и принципы функционирования мобильного контрольно-вычислительного комплекса (Патент на полезную модель Роспатент РФ № 108387 от 09.03.2011) могут быть использованы при технической диагностике, обслуживании и ремонте контактной сети, а также при исследовании динамики пространственного положения её устройств и элементов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований и подтверждается совпадением полученных модельных и натурных результатов исследований с известными теоретическими положениями, эксперимен-тальными данными, а также с практикой эксплуатации контактной сети.

На защиту выносятся.

1. Усовершенствованная управленческо-технологическая структура системы диагностики контактной сети хозяйства электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» дорожного уровня, отвечающая требованиям функциональной стратегии управления рисками ОАО «РЖД».

2. Модель и методика проведения риск-анализа и прогнозирования состояния контактной сети, включающие процедуры формирования показателей рисков и нового диагностического показателя контактной сети – «комплексная оценка содержания КС».

3. Методика экспериментально-расчетной оценки положения компенсирующих грузов и рисков разрегулировки контактной сети вследствие атмосферного и токового нагрева контактного провода.

4. Метод повышения эффективности технической диагностики контактной сети, основанный на использовании мобильных контрольно-вычислительных комплексов и обеспечивающий дистанционное сканирование пространственного положения устройств контактной сети.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: IV и V Международные Симпозиумы «Eltrans 2007» и «Eltrans 2009» (г. Санкт-Петербург, 2007г., 2009г.); IV Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (г. Самара, 2008 г.); II Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Математическое моделирование, численные методы и информационные системы» (г. Самара, 2010г.); Всероссийская научно-практическая конфе-ренция с международным участием «Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта» (г. Омск, 2011г.); ХХХIV научная конференция студентов и аспирантов СамГУПС.

Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 20 печатных работах, в том числе в 4 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования РФ, а также в патенте на полезную модель. Общий объем публикаций 7,94 п.л., из которых автору принадлежит 4,12 п.л.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа представлена на 236 страницах, содержит 120 страниц основного текста, 87 рисунков, 24 таблицы и 6 приложений на 56 страницах. Библиографический список включает 130 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, значимость выбранной темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе проведён анализ концепций, программ, теоретических и экспериментальных исследований, направленных на сокращение нарушений в работе устройств контактной сети посредством изучения их свойств и диагностики состояний. Исследования выполнялись учеными и специалистами структурных подразделений компании ОАО «РЖД», ВНИИЖТ, НИИАС, транспортных вузов МГУПС, ОмГУПС, ПГУПС, РГУПС, РГОТУПС, СамГУПС, УрГУПС, ИрГУПС и ряда других организаций.

Значительный вклад в разработку методов расчета систем и устройств контактной сети внесли отечественные ученые и специалисты:

Б. А. Бесков, А. С. Бочев, И. И. Власов, А. Г. Галкин, А. И. Гуков, В. Л. Григорьев, А. Т. Демченко, А. В. Ефимов, Ю. И. Жарков, Б. И. Косарев, В. Н. Ли, Р. Р. Мамошин, Г. Г. Марквардт, К. Г. Марквардт, Г. П. Маслов, В. П. Михеев, В. Н. Пупынин, С. М. Сердинов, О. А. Сидоров, Е. П. Фигурнов, А. В. Фрайфельд и многие другие.

Решение задач разработки, моделирования и управления устройствами контактной сети изложены в работах: Б. А. Аржанникова, М. П. Бадера, В. Д. Бардушко, А. Т. Буркова, В. А. Вологина, Л. А. Германа, В. Т. Доманского, А. В. Крюкова, А. В. Котельникова, В. Е. Марского, А. Н. Марикина, А. Н. Митрофанова, Р. И. Мирошниченко, Ю. П. Неугодникова, Д. А. Палей, В. С. Почаевца, А. А. Пышкина, А. Н. Смердина, Э. В. Тер-Оганова, В. Е. Чекулаева, В. Т. Черемисина и других.

Однако, не смотря на значительный объем проведенных исследований, в практике работы хозяйства электрификации и электроснабжения при диагностике и оценке качества содержания контактной сети не используются показатели рисков нарушений и их последствий. Вопросы использования теории риск–анализа на железнодорожном транспорте и в социально-экономических системах, а также вопросы построения их прогнозных моделей исследовались в работах А. Г. Галкина (УрГУПС), А. В. Ефимова (УрГУПС), Е. Н. Розенберга (НИИАС), М. А. Эскиндарова, а также в трудах специалистов Самарской академии государственного и муниципального управления (САГМУ) В. К. Семёнычева, Е. М. Тарасова, В. К. Чертыковцева.

База данных, сформированная автором диссертации по 15 филиалам ОАО «РЖД» за период с 2003 по 2009гг. по показателю качества содержания контактной сети – «балльная оценка КС» – совместно с 50 видами показателей нарушений нормальной работы контактной сети и другими эксплуатационными показателями, позволила выявить низкое качество диагностирования элементов контактной сети.

Повышение качества содержания контактной сети предложено осуществлять в рамках разработанной управленческо-технологической структуры системы диагностики контактной сети, включающей процедуры оценки рисков нарушений и их последствий (рисунок 1).

Рисунок 1 – Управленческо-технологическая структура системы диагностики контактной сети дорожного уровня с функциями риск-анализа

Во второй главе диссертации проведен статистический анализ, идентификация и классификация видов и последствий отказов контактной сети. Фактическое качество содержания контактной сети формализовано как вектор трех классов динамических показателей эксплуатационной работы хозяйства электрификации и электроснабжения:

Y(t) = [Гкс j (t), Ксоб(t), Котк i(t), Тt отк i(t), Nзад n(t), Тзад n(t), Тп пит(t), Ктпр(t)]. (1)

1. Диагностические оценки: Гкс j(t) – состояние j видов геометрических параметров контактной сети (зигзаги, выносы, уклоны и тому подобное), оцениваемые в баллах Б(t).
2. Показатели нарушений технологических процессов: Ксоб (t) – количество событий (браков); Котк i(t), Тt отк i(t) – количество и длительность отказов контактной сети по видам i технических устройств (опоры, провода, воздушные стрелки и так далее).

III. Показатели удовлетворенности перевозок: Nзад n(t), Тзад n(t) – количество и время задержанных поездов по n видам – грузовых, пассажирских, пригородных; Тп пит(t) – время перерывов питания контактной сети; Ктпр (t) – количество поломок токоприемников по вине службы электрификации и электроснабжения.

Качество содержания контактной сети зависит от условий ее эксплуатации, которые характеризуются вектором динамических показателей:

X(t) = [Аткм (t), Vуч (t), Мп (t), Nп n(t), Wэпс (t), Tатм (t), Uрег (t)], (2)

где Аткм (t) –тонно - километровая работа в грузовом движении на участке, млн ткм брутто; Vуч (t) – участковая скорость, км/час; Мп (t) – средняя масса грузового поезда, тонны; Nп n(t) – количество поездов на участке по n видам; Wэпс(t) – тяговое электропотребление поездов; Tатм(t) – атмосферная температура; Uрег(t) – вектор регулирующих факторов, определяющих процесс содержания контактной сети и выделенные в IV группу показателей.

Проведенный статистический анализ показателей векторов Y(t) и X(t) по 15 хозяйствам электрификации и электроснабжения филиалов ОАО «РЖД» за период с 2003 по 2010гг. показал, что виды распределений в основном описываются логарифмически-нормальным законом и существенно стохастичны. Сделан вывод, что усовершенствование показателя качества содержания контактной сети – «балльная оценка КС» – целесообразно осуществлять на базе построения многомерной модели, учитывающей фактические значимые показатели нарушений, удовлетворенности перевозок (коэффициент корреляции от 0,19 до 0,75; таблица 1) и регулирующих факторов контактной сети (коэффициент корреляции до – 0,44; таблица 2).

Таблица 1 – Значения коэффициентов корреляции диагностических оценок контактной сети, показателей нарушений и удовлетворенности перевозок

Показатель	Кол-во нарушений на КС, ед	Поломки токопри-емников, ед	Перерывы питания, час	Задержки Пассажир-ских поездов, час	Задержки Пригород-ных поездов, час	Задержки Грузовых поездов, час
«балльная оценка КС»	-0,05	0,04	0,10	-0,03	-0,16	0,27
«количество нарушений КС»	1,00	0,75	0,46	0,48	0,47	0,19