6 Пример проектирования малозатратной технологии. Установление рациональной длины грузовых поездов для станции Батайск

Издержки перевозочного процесса, регулярность обращения поездов, сохранность и своевременность доставки грузов определяют экономическую эффективность, а также конкурентную способность железных дорог в современны условиях работы ОАО «РЖД».

В период высоких загрузок железнодорожных участков и при наличии большой доли мощных поездных локомотивов снижение себестоимости перевозок обеспечивалось прежде всего путем формирования одногруппных поездов повышенной веса и длины (71 вагон и более). При этом несмотря на увеличение расходов, связанных с их накоплением, формированием и задержками в пути следования в целом эксплуатационные расходы снижались за счет сокращения числа поездов.

Однако при снижении объемов перевозок и мощности назначений формирование одногруппных поездов большой длины и веса вызывает значительное увеличение простоя вагонов под накоплением, а соответственно и вероятность просрочки доставки грузов. Это приводит к тому, что штрафные санкций за просрочку доставки грузов превышают экономию эксплуатационных расходов, получаемых за счет сокращения числа грузовых поездов. Так предъявленные штрафы составляют свыше 5 % от полученных доходов за перевозки, хотя случаев несвоевременной доставки грузов бывает значительно больше числа предъявляемых претензий.

В условиях не стабильного объема перевозок и малой интенсивности движения поездов требуются иные технологические решения в перевозочной деятельности железных дорог, имеющих целью удовлетворение запросов клиентуры в своевременной доставке и сохранности грузов при снижении себестоимости транспортных издержек. Одним из возможных путей решения данной проблемы является формирование поездов экономически выгодной категории, меньшей длины и веса, обеспечивающих сокращение простоя вагонов на технических станциях и в то же время производительное использование поездных локомотивов. Снижение длины (веса) поезда позволит повысить участковую скорость движения при существующем парке поездных локомотивов, а так же наметить новую стратегию в выборе потребных мощностей тяговых средств.

Для обоснования сферы применения групповых комбинированных поездов усовершенствована методика определения основных и суммарных эксплуатационных затрат, рассмотренных в публикации [17] при осуществлении перевозки грузов, а также проведены расчеты по определению сравнительной эффективности раздельного и комбинированного формирования поездов. В рассматриваемой методике устанавливается влияние длины и категории формируемых поездов на динамику изменения четырех основных элементов эксплуатационных расходов:

• электроэнергии на тягу поездов;

• связанных с временем накопления составов на технических станциях;

• на оплату работы бригады и содержания поездных локомотивов;

• связанных с просрочкой доставки грузов.

Все показатели характеризуются удельными величинами расходов, приходящимися на тонну перевезенного брутто поезда - руб./т.бр. Для проведения сравнительной оценки затрат по исследуемым вариантам формирования составов учитывается весь объем работы, предъявленный к перевозкам.

Одним из определяющих факторов формирования поездопотоков по направлениям является наличие достаточного вагонопотока для соответствующей категории поездов.

При этом поездопоток со станции может отправляться по двум категориям поездов: комбинированным и одногруппным (порожним и груженым).

Для анализа и получения уравнений воспользуемся следующими понятиями и зависимостями. Доля поездопотока, приходящегося на соответствующую категорию поездов.

, (1)

; ; (2)

где _i- доля поездопотока соответствующей категории, в общем поездопотоке;

N_i- величина поездопотока соответствующей категории, поездов;

Общие затраты подразделения железной дороги при работе только с раздельно формируемыми поездами моделируются с учетом доли груженых и порожних поездов по формулам:

; (3)

где n_гр, n_пор - количество груженых и порожних вагонов, представленных к перевозке по, из которых формируются поезда на технической станции;

, - установленная величина одногрупного (груженого или порожнего) состава

Рассмотрим три наиболее вероятных варианта наличия груженых и порожних вагонов на станции формирования поездов, согласно которому определяется структура отправляемых поездов с учетом комбинированного способа. Каждый из вариантов будем характеризовать условием сравнения соотношений между вагонопотоками (гружеными и порожними) и величиной групп груженых и порожних вагонов.

1. Вариант равенства соотношений, которое характеризует формирование только комбинированных поездов

, (4)

где m_гр,m_пор- средние величины групп груженых и порожних вагонов в отправляемых комбинированных составах.

Вероятность такого события в реальных условиях не превышает 0,1 и требует установления не фиксированной, а динамической нормы формирования составов. Требуется для объективности процесса моделирования.

2.Варианты не равенства соотношений, когда помимо комбинированных поездов будут отправляться и одногруппные поезда

, (5)

В этом случае часть груженых вагонов отправляется в раздельно сформированных груженых поездах с некоторым заданным количеством вагонов (m_с^гр), а остальные формируются в комбинированные поезда, имеющие в своем составе меньшее соотношении вагонов (m_гр /m_пор), чем отношение таких вагонов, предъявленных к перевозке.

Выразим это утверждение используя формулу (1), получим

, (6)

Количество отправленных комбинированных поездов зависит от общего числа порожних вагонов на станции и от включенных в такой состав (m_пор). Их доля определяется по формуле

(7)

Количество раздельно формируемых груженых поездов будет зависеть от количества оставшихся груженых вагонов (не включенных в комбинированные составы) и от их величины составов, отправляемых поездов (m_с^гр). А их доля определяется по формуле:

(8)

, (9)

В этом случае более чем достаточно порожних вагонов и со станции отправляются помимо комбинированных порожние поезда с некоторым количеством вагонов в их составах (m_с^пор).

Выразим это утверждение используя формулу (1), получим

Количество формируемых комбинированных поездов зависит от общего числа груженых вагонов на станции и отправленном в таком поезде (m_гр). Их доля определяется по формуле

_ком= n_гр  m_с^пор/[ n_пор m_гр + n_гр( m_с^пор - m_пор)], (10)

Количество порожних поездов зависит от количества порожних вагонов не включенных в комбинированные составы и от их количества в отправляемых раздельно формируемых поездах (m_с^пор). Их доля определяется по формуле:

_пор^к= (n_порm_гр - n_грm_пор)/[n_порm_гр + n_гр(m_с^пор - m_пор)]. (11)

Наибольшая доля суммарных эксплуатационных расходов (более 40 %), необходимых на осуществление перевозочного процесса, приходится на потребление электрической энергии на тягу поездов. Многообразие факторов, влияющих на удельный расход электроэнергии, изменение их по сложным, недостаточно изученным законам, позволяет считать эту составляющую вероятностной величиной, исследование которой возможно при помощи методов математической статистики, и в частности, - корреляционного и регрессионного анализа.

Представим расход электроэнергии как функцию суммы переменных и постоянно действующих составляющих. К группе факторов, оказывающих постоянное практически не изменяющееся, а также недостаточно изученное воздействие относятся: профиль и состояния пути, техническое состояние подвижного состава, средние метеорологические и эксплуатационные условия движения, мастерство локомотивной бригады и диспетчерского аппарата и т. д. К группе переменных факторов, в соответствии с поставленной целью работы, были отнесены: величины групп груженых и порожних вагонов (m_гр, m_пор), а также средний вес брутто груженого вагона поезда (q_гр).

Для получения аналитической зависимости y_i = f(x₁, x_2,..., x_n) использовалось усовершенствованное программное обеспечение (на основе метода наименьших квадратов), позволяющее варьировать структурой выведенного регрессионного уравнения.

В качестве статистического материала использовались данные маршрутов машинистов грузового движения депо Батайск, которые были отсортированы разработанной программой “MARSH 1” по заданным ключам. В процессе выбора структуры модели на основе применения принципов эвристической самоорганизации, поэтапным анализом полученного результата устанавливается лучшее уравнение регрессии по выбранным критериям.

М атематическая модель, характеризующая удельные расходы электроэнергии в зависимости от структуры состава и загруженности вагонов одного поезда, имеет вид :

(12)

Данное уравнение (6) справедливо для комбинированных составов, в которых число груженых вагонов изменяется в пределах от 25 до 70, а порожних - от 0 до 55 при среднем q_гр=25...80 т и весе тары вагонов -22 т, а также для составов, состоящих только из груженых вагонов.

Как видно из приведенного уравнения (6) увеличение веса груженых вагонов и их количества ведет к снижению энергопотребления на каждую тонну брутто одного поезда, а включение в состав порожних вагонов приводит к обратному результату.

Безусловно, удельное энергопотребление будет минимальным в случае формирования составов только из груженых вагонов и при максимальной их загруженности. Но в условиях снижения грузопотоков и роста доли порожних составов это приводит к значительному увеличению других составляющих общих затрат - времени накопления вагонов и большой вероятности просрочки доставки груза. Поэтому добавление группы порожних вагонов в состав вызывает меньше дополнительных расходов, нежели в случае формирования поездов только из порожних вагонов.

При моделировании затрат на передвижение порожних поездов воспользуемся следующей зависимостью:

Z_эп^пор=1907- 65 m_пор (13)

Средние затраты, связанные с расходом электроэнергии при перемещении поездов, имеющих различную структуру составов при комбинированном и раздельном формировании определяются по формулам:

Z_э^к = Z_эп, Z_э^к = Z_эп _ком + Z_эп _гр^к + Z_э^пор_пор^к; (14)

Z_э^р = Z_эп _гр+Z_эп^пор_пор ;

Формула для определения Z_э^к дана в общем виде и состоит из трех членов.

В соответствии с принятыми исходными данными и ограничениями, используя формулы (4)...(8) были проведены расчеты удельных затрат для исследуемых вариантов формирования составов при одном и том же объеме перевозок. На рис. 2, 3 показано изменение удельных затрат на электроэнергию (кривые Z_э) соответственно, комбинированных и раздельно сформированных составов. При формировании полносоставных комбинированных поездов расходы меньше нежели при формировании не полносоставных груженых и порожних поездов.

Для оценки издержек, связанных с накоплением вагонов требуется знать средние затраты времени на один вагон такого состава (t_н^гр,t_н^пор) и расходную ставку одного вагона часа (e_вч).

Известно, что среднее время простоя вагона под накоплением прямо пропорционально среднему количеству вагонов в составе, параметру накопления вагонов (C ) и количеству назначений (К_н) и обратно пропорционально числу вагонов, участвующих в накоплении (n_н). Параметр принято определять по формуле C = 12 (1  2/(К_н + 10)). Однако определение этой величины по такой зависимости не позволяет объективно учесть существующие условия работы технических станций. Более адекватно процесс накопления составов характеризуется статистическими анализом процесса накопления вагонов раздельно формируемых и групповых поездов за период не менее 5 суток. Тогда для исследуемых вариантов

t_н^гр=C_гр m_гр /n_гр, t_н^пор=C_пр m_пор /n_пор, (15)

t_н^к=C_к m_к /(n_гр + n_пор),

где m_к - величина комбинированного поезда, для которой должно выполняться условие m_к <= 70.

Рисунок 2 - Диаграмма изменения составляющих эксплуатационных расходов при комбинированном способе формирования поездов.

Удельные затраты на накопление комбинированного состава и раздельно сформированного при одинаковой расходной ставке (1вагчас) для груженых и порожних вагонов определяются согласно формулам:

Z_н^к = e_вч t_н^к /q_ком , Z_н^к = e_вч (t_н^к _ком /q_ком + t_н^гр_гр^к /q_гр + t_н^пор_пор^к /q_пор);

Z_н^р = e_вч (t_н^гр _гр / q_гр + t_н^пр _пр /q_пр), (16)

где q_ком, q_гр, q_пр - средний вес вагона комбинированного, раздельного груженого и порожнего составов.

Как видно из рис. 2 и 3 эти затраты имеют нелинейную зависимость и растут с увеличением длины состава. Минимум затрат имеется в случае выполнения равенства n_гр/n_пор= m_гр/m_пор.

Для моделирования расходов, связанных с просрочкой доставки грузов, используются основные регламентирующие эту процедуру положения. Как известно, груз считается доставленным в срок, если он выгружен на общих местах станции или подан под выгрузку на подъездной путь до истечения установленного срока.

Рисунок 3 − Диаграмма изменения составляющих эксплуатационных расходов при раздельном способе формирования поездов.

Установленный срок доставки груза определяются как сумма среднего времени прохождения расстояния, по которому рассчитывается плата за перевозку (L_m/V_m), времени, необходимого на грузовые операции на станциях прибытия и отправления груза, и дополнительные операции в пути следования. Штрафные санкции предъявляются с момента достижения просрочки (в одни сутки) в размере - 15 % провозной платы за каждые сутки. Для исследуемого участка движения (при отсутствии грузовых операций) установление величины срока доставки зависит от его протяженности (L_у) и определяется по формуле:

Т_у = L_у 24/V_m (17)

где V_m - нормативная суточная скорость доставки груза.

Имея непредусмотренные задержки на маршруте следования груза время просрочки его доставки накапливается от станции к станции, а превышение установленного срока приводит к нарушению взятых дорогой обязательств по перевозке. Разница между установленным сроком доставки (Т_у) и фактическим (Т_ф) характеризует просрочку его доставки получателю. Наиболее влияющей причиной на увеличение Т_ф является время простоя под накоплением груженых вагонов на технической станции. Следовательно затраты, связанные с просрочкой доставки грузов напрямую зависят от t_н и могут быть определены по формуле:

Т_ф = _обр t_н^гр+ L_у/V_у (12) (18)

где V_у - средняя участковая скорость;

_обр - коэффициент, учитывающий время на остальные операции.

Значение простоя вагонов под накоплением при котором еще нет просрочки доставки груза (нормативный) устанавливается из условия равенства фактического (технологического) и установленного сроков доставки:

t_н ^min = L_у/_обр( 24/V_m  1/V_у). (19)

Тогда разница между фактическим временем простоя под накоплением груженых вагонов (t_н^гр) и нормативным характеризует среднее время просрочки доставки грузов.

При определении средней провозной платы используется Тарифное руководство (Прейскурант 10-01) и данные о плате за перевозку грузов в универсальных вагонах. Табличный ряд данных был преобразован в удобную для процесса моделирования аналитическую зависимость

e_тф = 86116  11248  q_гр + 2484 L_m . (20)

В проводимых исследованиях доля штрафов подразделения дороги, выполняющего перевозку принимается пропорционально имеющейся задержке, а удельные затраты выражаются зависимостью:

Z_пр = 0,15_прe_тф(t_н ^гр  t_н ^min)/24 (21)

где _пр - коэффициент просрочки, учитывает долю вагонов, за которые предъявлены претензии за просрочку.

Зависимости просрочки доставки грузов (для исследуемого участка) представлены на рис. 2, 3. При существующих темпах накопления вагонов затраты, связанные с этой составляющей значительно возрастают при m_с > 40...45 вагонов.

Удельные расходы, требуемые на оплату труда локомотивных бригад и содержания поездных локомотивов, в отличие от затрат на накопление вагонов, увеличиваются пропорционально длине перевозимого состава. Для их оценки были проанализированы данные о средней продолжительности осуществляемых поездок на исследуемом тяговом участке и почасовые тарифные ставки. Считая, что оплата труда бригады не зависит от структуры поезда, используя выведенные зависимости (1)...(5) удельные затраты при комбинированном, а также раздельном способе формирования поездов определяются по формулам

Z_лб^к=(e_бч +e_лч )t_п /Q_ком;

Z_лб^к=(e_бч +e_лч)t_п (_ком/Q_ком +_гр^к/Q_гр + _пор^к/Q_пор); (22)

Z_лб^р = (e_бч + e_лч )t_п (_гр / Q_гр + _пор /Q_пор)

где e_бч,e_лч - тарифные ставки оплаты работы локомотивной бригады и содержания поездного локомотива;

t_п - продолжительность поездки.

Q_ком,Q_гр,Q_пор- средний вес комбинированного, раздельно сформированных груженых и порожних составов.

Увеличение количества груженых вагонов в составе поезда приводит к небольшому увеличению затрат для комбинированных составов (при фиксированной их длине); в свою очередь затраты при раздельном формировании в целом выше и уменьшаются при увеличении длины поездов.

Результирующие удельные затраты, требуемые на эксплуатационную работу исследуемого подразделения железной дороги определяются суммой долевых затрат

Z = Z_э + Z_н + Z_лб + Z_{пр .} (23)

Проведенные по разработанным равенствам (1)...(22) расчеты позволяют проводить сравнительный анализ прямых эксплуатационных расходов. При различной структуре, длине отправляемых составов на участке Лихая - Батайск требуются различные удельные затраты. Обратимся к рис. 4, построенному со всеми ранее принятыми ограничениями на входные параметры. Он наглядно демонстрирует эффективность формирования комбинированных составов в данных условиях работы железной дороги.

На всем интервале изменения параметров m_гр, m_пор удельные затраты при комбинированном способе формирования меньше на 15...30 %. Минимум функции характеризует экономически выгодный “диапазон” изменения длины груженой части и структуры отправляемых составов. Изменение среднего веса груженого вагона приводит к изменению величины удельных затрат, но практически не влияет на перемещение выгодного “диапазона”.

Для исследованных условий работы станции и участка рекомендуется формирование комбинированных поездов, состоящих из 35...40 груженых и 35...30 порожних вагонов. Формирование поездов длиной 50...70 груженых вагонов приводит к увеличению прямых затрат в 1,2...3 раз по причине выплаты штрафов за просрочку доставки грузов.

Рисунок 4 - Диаграмма изменения суммарных эксплуатационных расходов при различных способах формирования поездов.

Помимо экономических показателей выгодности эксплуатации комбинированных составов необходимо учитывать и проблему безопасности движения таких поездов. Это прежде всего связано с эффективностью работы автотормозов и возникающими при этом продольно- динамическими реакциями в поезде.

Сравнение удельных тормозных сил груженого и порожнего вагонов свидетельствуют о том, что порожние вагоны тормозятся с большей удельной тормозной силой, которая может почти в два раза превышать такую же силу груженых вагонов. Это повышает скорость соударения в 1,4 раза. Для снижения продольно-динамических реакций за счет ее уменьшения груженые вагоны целесообразно располагать в головной части, а порожние - в хвостовой части поезда /4/.

Формирование комбинированных поездов с таким порядком постановки вагонов обеспечивает соблюдение норматива плотности тормозной сети и необходимую тормозную эффективность, а также снижение расхода сжатого воздуха на утечки из тормозных цилиндров и улучшения условий отпуска тормозов хвостовых вагонов.

Подводя итог проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Наиболее влияющим фактором на эксплуатационные затраты в современных условиях работы дороги является время простоя груженых вагонов под накоплением, от которого, в свою очередь, зависит просрочка доставки грузов и предъявляемые за нее штрафные санкции.

2. Разработанная методика позволяет определять характерную для любой конкретной технической станции и тягового участка экономически выгодную структуру и длину отправляемых составов, осуществлять объективное нормирование плановых эксплуатационных показателей работы подразделения железной дороги.

3. Учет разработанных рекомендаций позволяет объективно подойти к разработке и выполнению плана формирования, а их практическая реализация реально обеспечит снижение прямых эксплуатационных расходов на 10...20 %, повысит безопасность и надежность перевозок.