STP 2019 № 6 (84).Pdf

Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна

НАУКА ТА ПРОГРЕС ТРАНСПОРТУ

ВІСНИК ДНІПРОПЕТРОВСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ ІМЕНІ АКАДЕМІКА В. ЛАЗАРЯНА

Науковий журнал

№ 6 (84) 2019

Виходить 6 разів на рік ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ Заснований у серпні 2003 р.

Автоматизовані та телематичні системи на транспорті Екологія та промислова безпека Економіка та управління Експлуатація та ремонт засобів транспорту Електричний транспорт, енергетичні системи та комплекси Залізнична колія та автомобільні дороги Інформаційно-комунікаційні технології та математичне моделювання Матеріалознавство Машинобудування Рухомий склад і тяга поїздів Транспортне будівництво

Дніпро 2019 Засновник: ДНІПРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ ІМЕНІ АКАДЕМІКА В. ЛАЗАРЯНА

ГОЛОВА РЕДАКЦІЙНОЇ РАДИ УНІВЕРСИТЕТУ Пшінько О. М., доктор технічних наук ГОЛОВНИЙ РЕДАКТОР ЖУРНАЛУ Пічугов С. О., доктор фізико–математичних наук ЗАСТУПНИК ГОЛОВНОГО РЕДАКТОРА Козаченко Д. М., доктор технічних наук ВІДПОВІДАЛЬНИЙ СЕКРЕТАР Колесникова Т. О., кандидат наук із соціальних комунікацій

ЧЛЕНИ РЕДАКЦІЙНОЇ КОЛЕГІЇ: Аврамовіc З. З., Белградський університет (Сербія); Бела І., Інститут логістики (Угорщина); Біляєв М. М., ДНУЗТ (Україна); Бобровський В. І., ДНУЗТ (Україна); Богдявічус М., Вільнюський технічний університет імені Гедимінаса (Литва); Боднар Б. Є., ДНУЗТ (Україна); Бондаренко І. О., ДНУЗТ (Україна); Вакуленко І. О., ДНУЗТ (Україна); Воронін С. В., УкрДУЗТ (Україна); Головкова Л. С., ДНУЗТ (Україна); Єфременко В. Г., Приазовський держаний технічний університет (Україна); Жуковицький І. В., ДНУЗТ (Україна); Калівода Я., Чеський технічний університет (Чехія); Капіца М. І., ДНУЗТ (Україна); Капустян В. О., НТТУ «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» (Україна); Кершіс Р., Каунаський технологічний університет (Литва); Кузнєцов В. Г., Науково-дослідний інститут залізниць (Польща); Манашкин Л., Незалежний вчений (США); Марущак П. О., Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя (Україна); Піттман Р., Антимонопольний відділ Департаменту юстиції (США); Ракша С. В., ДНУЗТ (Україна); Сладковскі А., Сілезький технологічний університет (Польща); Cyглер Дж., Варшавська школа економіки (Польща); Тютькін О. Л., ДНУЗТ (Україна); Шинкаренко В. І., ДНУЗТ (Україна).

Журнал зареєстровано Державною реєстраційною службою Міністерства юстиції України. Свідоцтво про реєстрацію КВ № 19609-9409ПР від 29.12.2012 р. Видання внесено до Переліку наукових фахових видань України наказом Міністерства освіти і науки України 29.12.2014 р. № 1528 (технічні науки). Журнал зареєстровано: в міжнародних каталогах періодичних видань UlrichswebTM Global Serials Directory, OCLC WorldCat; наукометричних системах Google Scholar, DOAJ, Index Copernicus та ін. Друкується за рішенням вченої ради університету від 23.12.2019 р., протокол № 5

Видавець Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна (м. Дніпро) Свідоцтво суб’єкта видавничої справи ДК № 1315 від 31.03.2003 р.

Адреса засновника вул. Лазаряна, 2, кім. 267, Дніпро, Україна, 49010 та редакції тел.: +38 (056) 371-51-05; e-mail: [email protected], [email protected]; сайт журналу: http://stp .diit.edu.ua/

Видання публікується з 1936 р.: 1936–1993 рр. – «Труды Днепропетровского института инженеров железнодорожного транспорта»; 1993–2002 рр. – «Збірник наукових праць Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту» (за серіями); 2003–2012 рр. – «Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна», (ISSN 1993-9175); з 2013 р. – «Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна»

НАУКА ТА ПРОГРЕС ТРАНСПОРТУ

ВІСНИК ДНІПРОПЕТРОВСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ ІМЕНІ АКАДЕМІКА В. ЛАЗАРЯНА

Научный журнал

№ 6 (84) 2019

Выходит 6 раз в год ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ Основан в августе 2003 г.

Автоматизированные и телематические системы на транспорте Экология и промышленная безопасность Экономика и управление Эксплуатация и ремонт средств транспорта Электрический транспорт, энергетические системы и комплексы Железнодорожный путь и автомобильные дороги Информационно-коммуникационные технологии и математическое моделирование Материаловедение Машиностроение Подвижной состав и тяга поездов Транспортное строительство

Днипро 2019 Учредитель: ДНИПРОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ИМЕНИ АКАДЕМИКА В. ЛАЗАРЯНА

ПРЕДСЕДАТЕЛЬ РЕДАКЦИОННОГО Пшинько А. Н., доктор технических наук СОВЕТА УНИВЕРСИТЕТА ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР ЖУРНАЛА Пичугов С. А., доктор физико-математических наук ЗАМЕСТИТЕЛЬ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Козаченко Д. Н., доктор технических наук ОТВЕТСТВЕННЫЙ СЕКРЕТАРЬ Колесникова Т. А., кандидат наук по социальным коммуникациям

ЧЛЕНЫ РЕДАКЦИОННОЙ КОЛЛЕГИИ: Аврамовиc З. З., Белградский университет (Сербия); Бела И., Институт логистики (Венгрия); Беляев Н. Н., ДНУЖТ (Украина); Бобровский В. И., ДНУЖТ (Украина); Богдявичус М., Вильнюсский технический университет имени Гедиминаса (Литва); Боднар Б. Е., ДНУЖТ (Украина); Бондаренко И. А., ДНУЖТ (Украина); Вакуленко И. А., ДНУЖТ (Украина); Воронин С. В., УкрГУЖТ (Украина); Головкова Л. С., ДНУЖТ (Украина); Ефременко В. Г., Приазовский государственный технический университет (Украина); Жуковицкий И. В., ДНУЖТ (Украина); Каливода Я., Чешский технический университет в Праге (Чехия); Капица М. И., ДНУЖТ (Украина); Капустян В. Е., Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского» (Украина); Кершис Р., Каунасский технологический университет (Литва); Кузнецов В. Г., Научно-исследовательский институт железных дорог, (Польша); Манашкин Л., Независимый ученый, (США); Марущак П. А., Тернопольский национальный технический университет имени Ивана Пулюя (Украина); Питтман Р., Антимонопольный отдел Департамента юстиции (США); Ракша С. В., ДНУЖТ (Украина); Сладковски А., Силезский технологический университет, (Польша); Cyглер Дж., Варшавская школа економики (Польша); Тютькин А. Л., ДНУЖТ (Украина); Шинкаренко В. И., ДНУЖТ (Украина)

Журнал Государственной регистрационной службой Министерства юстиции Украины. зарегистрирован Свидетельство о регистрации КВ № 19609-9409ПР от 29.12.2012 г. Издание внесено в Перечень научных специализированных изданий Украины приказом Министерства образования и науки Украины 29.12.2014 г. № 1528 (технические науки). Журнал зарегистрирован: в международных каталогах периодических изданий UlrichswebTM Global Serials Directory, OCLC WorldCat; наукометрических системах Google Scholar, DOAJ, Index Copernicus и др. Печатается по решению ученого совета университета от 23.12.2019 г., протокол № 5

Издатель Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна (г. Днипро) Свидетельство субъекта издательского дела ДК № 1315 от 31.03.2003 г.

Адрес ул. Лазаряна, 2, ком. 267, Днипро, Украина, 49010, тел.: +38 (056) 371-51-05; учредителя e-mail: [email protected], [email protected]; сайт журнала: http://stp.diit.edu.ua/

Издание публикуется с 1936 г.: 1936–1993 гг. – «Труды Днепропетровского института инженеров железнодорожного транспорта»; 1993–2002 гг. – «Збірник наукових праць Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту» (за серіями); 2003–2012 гг. – «Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна», (ISSN 1993-9175); с 2013 г. – «Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна»

NAUKA TA PROGRES TRANSPORTU

VÌSNIK DNÌPROPETROVS’KOGO NACÌONAL’NOGO UNÌVERSITETU ZALÌZNIČNOGO TRANSPORTU = SCIENCE АND TRANSPORT PROGRESS

Scientific journal

No. 6 (84) 2019

Bi-Monthly ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ Founded in August 2003

Automated and Telematic Systems on Transport Ecology and Industrial Safety Economics and Management Operation and Repair of Transport Means Electric Transport, Power Systems and Complexes Railroad and Roadway Network Information and Communication Technologies and Mathematical Modelling Material Science Mechanical Engineering Rolling Stock and Train Traction Transport Construction

Dnipro 2019 Founder: DNIPRO NATIONAL UNIVERSITY OF RAILWAY TRANSPORT NAMED AFTER ACADEMICIAN V. LAZARYAN

Chairman of the Editorial Board of the University Pshinko О. М., Doctor of Technical Sciences Editor-in-Chief Pichugov, S. A., Doctor of Physics and Mathematics Deputy Chief Editor Kozachenko D. M., Doctor of Technical Sciences Executive Secretary Kolesnykova Т. О., PhD of Social Communications

EDITORIAL BOARD MEMBERS: Avramovic Z. Ž. , Faculty of Transport and Traffic Engineering (Serbia); Béla I., Logistics Institute (Hungary); Biliaiev M. M., DNURT (Ukraine); Bobrovskiy, V. I., DNURT (Ukraine); Bodnar B. E., DNURT (Ukraine); Bogdevičius M., Vilniaus Gedimino technikos universitetas (Lithuania); Bondarenko I. O., DNURT (Ukraine); Cygler J., Szkola Glówna Handlowa w Warszawie (Poland); Efremenko V. G., Priazovsky State Technical University (Ukraine); Golovkova L. S., DNURT (Ukraine); Kalivoda J., Czech Technical University in Prague (Czech Republic); Kapitsa M. I., DNURT (Ukraine); Kapustyan V. O., National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», (Ukraine); Kersys R., Kaunas University of Technology (Lithuania); Kuznetsov V. G., The Railway Research Institute, (Poland); Manashkin L., Self-Employed (USA); Maruschak P. O., Ternopil Ivan Puluj National Technical University (Ukraine); Pittman R., Antitrust Division of the USA. Department of Justice (USA); Raksha S. V., DNURT (Ukraine); Shinkarenko V. I., DNURT (Ukraine); Sładkowski A., Politechnika Slaska w Gliwicach (Poland); Tiutkin O. L., DNURT (Ukraine); Vakulenko I. O., DNURT (Ukraine); Voronin S. V., UkrSURT (Ukraine); Zhukovitskiy I. V., DNURT (Ukraine)

Journal by the State Registration Service of the Ministry of Justice of Ukraine. was registered Certificate of Registration KB no.19609-9409PR from 29.12.2012 Edition is included in the list of scientific professional publications of Ukraine by the Order of the Ministry of Education and Science of Ukraine 29.12.2014 г. no. 1528 (technical sciences). Journal is registered: in the International Catalogue of periodicals UlrichswebTM Global Serials Directory, OCLC WorldCat; research and metric systems Google Scholar, DOAJ, Index Copernicus, etc. Published according to the Academic Council decision of the University from 23.12.2019, Protocol no. 5

Publisher Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan (Dnipro) Certificate of Publisher ДК no. 1315 from 31.03.2003

Address St. Lazaryana, 2, room 267, Dnipro, Ukraine, 49010, tеl.: +38 (056) 371-51-05; of Founder e-mail: [email protected], [email protected]; journal site: http://stp.diit.edu.ua/

Edition is being published since 1936: 1936–1993 – «Труды Днепропетровского института инженеров железнодорожного транспорта»; 1993–2002 – «Збірник наукових праць Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту» (за серіями); 2003–2012 – «Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна», (ISSN 1993-9175), since 2013 – «Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна»

© Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, 2019 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

АВТОМАТИЗОВАНІ ТА ТЕЛЕМАТИЧНІ СИСТЕМИ НА ТРАНСПОРТІ

УДК 629.4.067:656.259.9

К. І. ЯЩУК1*, С. С. ПЕТРОВСЬКИЙ2*

1*Каф. «Автоматика та телекомунікації», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені акаде- міка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056) 373 15 04, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-8606-5790 2*Каф. «Автоматика та телекомунікації», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені акаде- міка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056) 373 15 04, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0001-6539-2250

ВДОСКОНАЛЕННЯ СХЕМИ МІКРОПРОЦЕСОРНОГО КОМПЛЕКСУ ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ КТСМ

Мета. Під час обслуговування апаратури виявлення перегрітих букс постала проблема витрат часу на заміри вручну температури колійних камер, що в епоху використання електронних програмових пристроїв є недоцільним. У цій статті автори мають за мету вдосконалити схему контролю обігріву колійних камер комплексу технічних засобів КТСМ, а саме субблока мікропроцесорного терморегулятора ТРМ, що призна- чений для підтримання стабільної температури всередині колійних камер. Методика. В основу досліджень покладено статистичні дані, отримані в результаті експлуатації апаратури виявлення перегрітих букс. У статті застосовано методи схемотехнічного моделювання для отримання мікроелектронної схеми. Результати. У роботі розглянуто проблему обслуговування апаратури виявлення перегрітих букс вручну. Визначено потребу в автоматизації процесів заміру, обробки та передачі даних про температуру колійної камери. Розроблено електронну схему на базі мікроконтролера, яка дозволяє швидко реагувати на можливі температурні зміни поза встановленими межами. Виконані розрахунки показують, що запропонована схема значно скорочує час обслуговування апаратури та виключає людський фактор, що може впливати на досто- вірність вимірів температури. Наукова новизна. У роботі вперше запропоновано вдосконалену схему конт- ролю обігріву колійних камер на базі мікроконтролера, яка дозволяє автоматично налаштовувати й підтри- мувати температуру в колійній камері від 21 до 40 °С, подавати сигнал «несправність» у вападку відмови терморезистора та коливання температури поза наведеними межами. Практична значимість. Застосування схеми контролю обігріву дозволяє автоматизувати вимірювання температури всередині колійної камери. Це значно скорочує час обслуговування апаратури виявлення перегрітих букс, адже повністю виключає як здій- снення перевірки температури ртутним термометром вручну в перерві між рухом поїздів, так і необхідність ручного коректування температури в разі виявлення її невідповідності нормам. Ключові слова: автоматика; перегріта букса; обігрів; колійна камера

Вступ ковий буксовий вузол може навіть зруйнувати- ся [10]. Тому одним із показників технічного Буксовий вузол є складовою ходової части- стану підшипників є температура буксового ни рухомого складу і призначений для передачі вузла. Також важливу роль відіграє температу- радіальних та осьових навантажень від корпуса ра повітря, залежно від якої здійснюється коре- вагона на колеса. У процесі експлуатації відбу- кція температурного налаштування приймачів вається нагрівання підшипників, що викликає інфрачервоного випромінювання. Проблема температурні деформації, унаслідок чого роли- нагрівання букс є досить актуальною, адже за Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196015 © К. І. Ящук, С. С. Петровський, 2019

7 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

АВТОМАТИЗОВАНІ ТА ТЕЛЕМАТИЧНІ СИСТЕМИ НА ТРАНСПОРТІ

статистикою кожен третій вагон робочого пар- Обидві системи, як ПОНАБ–3, так і ку цієї причини щорічно потрапляє в ремонт. ДИСК–Б, є досить застарілими, тому з метою Несвоєчасне виявлення несправних букс є за- модернізації апаратури в експлуатацію була грозою виникнення відмов, що можуть спричи- введена мікропроцесорна система контролю нити аварії та зупинки, які не передбачені гра- технічного стану рухомого складу КТСМ, тех- фіком руху поїздів. нічні засоби якої впроваджені на зміну елект- Для виявлення перегрітих букс на мережах ронних блоків, що знаходяться у перегінній залізниць країн СНД широкого застосування стійці. При цьому перегінний силовий відсік набув пристрій виявлення аварійно нагрітих стійки та колійне обладнання залишилися без букс ПОНАБ–3 та дистанційна інфосистема змін. Лише конструкція колійної камери та її контролю букс ДИСК–Б [8]. ПОНАБ–3 викори- кріплення до рейки в системі КТСМ дещо від- стовують із 80-х років, ця система була розроб- різняються від ПОНАБ–3 та ДИСК–Б. Зміне- лена для контролю стану букс на одноколійних ний спосіб кріплення є характерною особливіс- та двоколійних ділянках. Вона включає колій- тю апаратури КТСМ, у результаті таких змін не, станційне та постове обладнання. Принцип значно скорочується відстань від букси як дже- її роботи полягає у прийнятті сигналу, який на- рела інфрачервоного випромінювання до каме- дходить від букси вагона у вигляді інфрачерво- ри як приймача, що посприяло підвищенню ного випромінювання, його обробці та передачі чутливості та завадостійкості апаратури [14]. на станцію [1]. До особливостей цієї системи Фіксація наявності перегрітої букси здійсню- можна віднести: роботу апаратури в режимі ється оцінюванням теплового рівня від букси очікування за відсутності рухомого складу; за- порівняно з тепловим рівнем від боковини візка безпечення підвищеної завадостійкості шляхом [2]. Також для підвищення достовірності інфо- використання амплітудно-модульованого сиг- рмації застосовують додаткову ознаку – спів- налу та апаратури контролю, яка передає інфо- відношення інфрачервоного випромінювання рмацію про нагрів букси лише в момент її ви- корпуса букси і рівнів інших букс для кожної явлення; можливість реєстрації даних про зага- сторони вагона. льну кількість вагонів у поїзді та кількість пе- Крім того, КТСМ дає можливість здійснен- регрітих букс у цьому рухомому складі; ня безперервного контролю й діагностики ста- наявність обігрівачів колійних камер та відбій- ну вузлів апаратури на перегонах. Система ви- ників (засобів захисту від механічних пошко- являє дефекти буксових вузлів на ранній стадії джень). Але в сучасних умовах стрімкого зрос- їх розвитку [12], що забезпечується завдяки но- тання швидкостей та збільшення обсягів пере- вим методам обробки, які застосовано у систе- везень система ПОНАБ–3 є застарілою, унаслі- мі. Також у КТСМ застосовується більш зава- док чого за швидкостей вище 150 км/год достійкий спосіб передачі інформації (частотна спостерігається некоректна робота апаратури. маніпуляція). Апаратура системи забезпечує Також суттєвим її недоліком є великі габарити сповіщення машиніста поїзда по радіозв’язку постового обладнання. Тому на зміну ПОНАБ– про наявність перегрітих букс у конкретних 3 було впроваджено систему ДИСК–Б, принцип вагонах та підключення додаткових пристроїв роботи якої полягає у фіксації теплового ви- сигналізації. промінювання, що надходить від буксового ву- Згідно зі статистикою, правильність отри- зла під час руху поїзда. У подальшому це ви- маної від КТСМ інформації про наявність пере- промінювання перетворюється в електричні грітих букс складає понад 90 %, що було пере- сигнали, які підсилюються і нормуються за вірено в експлуатаційних умовах шляхом від- тривалістю. Також ДИСК-Б передає на станцію чеплення від рухомого складу конкретних ва- інформацію про проходження осей та вагонів гонів і перевірки їх передаварійних станів. Це і відповідно до певних критеріїв виділяє сигна- досить вагомий показник, адже випадки гаря- ли саме від перегрітих букс із фіксацією їх міс- чого зламу шийки осі колісної пари можуть цезнаходження. Безперечною перевагою апара- призвести до вкрай негативних наслідків. Як тури є її реалізація на базі цифрових інтеграль- зазначалося вище, старе колійне обладнання них мікросхем. було збережено, але незважаючи на це кількість Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196015 © К. І. Ящук, С. С. Петровський, 2019

8 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

АВТОМАТИЗОВАНІ ТА ТЕЛЕМАТИЧНІ СИСТЕМИ НА ТРАНСПОРТІ

відмов на одиницю обладнання знижено майже R2 – терморезистор R3» в колійній камері, яке у два рази, а час простою в несправному стані – подається на базу транзистора VT1, останній у 5–7 разів. У результаті впровадження системи переходить у режим відсічки. У такому ж ре- КТСМ витрати на обслуговування апаратури жимі працюватиме і транзистор VT2, база якого скоротилися у 1,5–2 рази. Та попри велику кі- підключається до колектора VT1 [5, 7]. Далі лькість переваг апаратура має ряд недоліків, спрацьовує генератор, і залежно від полярності серед яких можна виділити необхідність про- імпульсів на вторинній обмотці Тр поперемінно водити заміри температури колійних камер відкриватимуться тиристори VS1 та VS2, уна- з використанням ртутного термометра, які здій- слідок чого замикається коло живлення нагрі- снюють вручну. На сьогоднішні такі методи вачів колійної камери від джерела змінної на- експлуатації колійного обладнання є застаріли- пруги частотою 50 Гц. ми, і їх необхідно усунути шляхом автоматиза- Якщо температура всередині камери досяг- ції процесу із застосуванням сучасної мікрое- не значення норми, у результаті роботи обігрі- лектронної бази. вачів транзистори VT1 і VT2 відкриватимуться, при цьому VT3 і, відповідно, вихідні тиристори Мета VS1 та VS2 закриються. Основною метою статті є вдосконалення Виходячи з вищесказаного, момент уві- схеми контролю обігріву колійних камер ком- мкнення та вимкнення обігріву визначається плексу технічних засобів КТСМ, а саме суб- відкриттям або закриттям транзисторів VT1 блока мікропроцесорного терморегулятора і VT2. Режим роботи останніх визначається ТРМ, що призначений для підтримання стабі- дільником «змінний резистор R2 – терморезис- льної температури всередині колійних камер. тор R3» колійної камери і регулюється, у свою чергу, величиною змінного резистора R2. Методика У субблоці світлодіод VD6 є індикатором відк- ритого стану тиристорів, а отже, і ввімкненого В основу досліджень покладено статистичні обігріву колійних камер. Резистор R10 обмежує дані, отримані в результаті експлуатації апара- струм через VD6, а діод VD5 обмежує зворотну тури виявлення перегрітих букс. У статті засто- напругу світлодіода. совано методи схемотехнічного моделювання Унаслідок тривалої експлуатації силових для отримання мікроелектронної схеми. стійок ДИСК–Б і субблоків ТРМ між повзун- ком змінного резистора і резистивним шаром Результати втрачається контакт, що в результаті роботи Для підтримки стабільної температури все- схеми призводить до зміни температури в ко- редині колійних камер застосовують субблоки лійній камері. Оскільки в попереднього підси- мікропроцесорного терморегулятора ТРМ лювача приймальної капсули колійної камери (рис. 1), що знаходяться всередині силової відсутня корекція коефіцієнта підсилення під стійки. До складу субблока входить генератор, час зміни температури [4], то можливі виявлен- реалізований на транзисторі VT3 і трансформа- ня помилкових нагрівів або навіть пропуск ава- торі Тр, кола управління генератором на базі рійно нагрітих букс. Під час обслуговування транзисторів VT1, VT2, силові кола на тиристо- апаратури ДИСК–Б і КТСМ–01д потрібно здій- рах VS1, VS2 та сигнальні кола на світлодіоді снювати систематичну перевірку роботи обігрі- VD6. ву колійних камер, вимірювати температуру Схема працює наступним чином. У разі па- в камері і в разі її невідповідності потрібним діння температури всередині камери нижче но- рівням здійснювати підлаштування. Наразі іс- рми опір терморезистора R3 в колійній камері, нує проблема обслуговування апаратури вияв- ввімкненого між контактом В9 з’єднувача лення перегрітих букс, адже технологією вимі- Ш субблока і загальним проводом, збільшуєть- рювань температури передбачена ручна переві- ся. У результаті цього збільшується падіння рка, тобто у перерві між поїздами потрібно напруги на дільнику «змінний резистор вставити ртутний термометр у колійну камеру,

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196015 © К. І. Ящук, С. С. Петровський, 2019

9 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

АВТОМАТИЗОВАНІ ТА ТЕЛЕМАТИЧНІ СИСТЕМИ НА ТРАНСПОРТІ

тримати його 10–15 хв, а потім зняти його по- ператури тривають 40 хв і більше. На сьогод- казання. У разі невідповідності температури нішні існує потреба в автоматизації процесів нормам потрібно здійснити регулювання [9]. За заміру, обробки та передачі даних про темпера- наявності 4 колійних камер вимірювання тем- туру колійної камери.

Рис.1. Принципова схема терморегулятора ТРМ Figure 1. Schematic diagram of the microprocessor thermostat

Тому було розроблено принципову електри- лізатор живлення мікроконтролера SR1, тран- чну схему контролю обігріву колійних камер зистор VT3 для управління схемою ввімкнення мікропроцесорного комплексу технічних засо- силових тиристорів, світлодіод індикації не- бів КТСМ (рис. 2) на базі мікроконтролера [11], справності ТРМ HL1 з оптопарою U1 для виве- яка дозволяє швидко реагувати на можливі те- дення інформації про несправність на автома- мпературні зміни поза встановленими межами. тизоване робоче місце лінійного поста контро- Алгоритм роботи мікроконтролера наведено на лю (АРМ ЛПК) через контакт КОНТРОЛЬ рис. 3. На платі індикації та управління знахо- і світлодіоди VD6, VD7, які призначені для кон- дяться мікроконтролер DD1 типу PIC16F876, тролю відкритого та закритого стану тиристо- кнопки налаштування S1 і S2, світлодіодний рів VS1, VS2. Плата управління силовими тири- тризначний індикатор типу BT–N325RD, стабі- сторами є частиною діючої схеми ТРМ.

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196015 © К. І. Ящук, С. С. Петровський, 2019

10 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

АВТОМАТИЗОВАНІ ТА ТЕЛЕМАТИЧНІ СИСТЕМИ НА ТРАНСПОРТІ

Рис. 2. Принципова схема контролю обігріву колійних камер Fig. 2. Schematic diagram of heating control of track chambers

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196015 © К. І. Ящук, С. С. Петровський, 2019

11 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

АВТОМАТИЗОВАНІ ТА ТЕЛЕМАТИЧНІ СИСТЕМИ НА ТРАНСПОРТІ

Запропонована схема значно скорочує час об- слуговування апаратури та виключає людський фактор, що може впливати на достовірність вимірів температури.

Наукова новизна та практична значимість У статті на основі емпіричного досвіду об- слуговування апаратури ДИСК–Б, зокрема її модернізованої системи КТСМ–01Д було за- пропоновано вдосконалити схему субблока мі- кропроцесорного терморегулятора ТРМ через трудомісткі незручні заміри температури. Ав- торами вперше запропонували вдосконалену схему контролю обігріву колійних камер на базі мікроконтролера, яка дозволяє автоматич- но налаштовувати й підтримувати температуру в колійній камері від 21 до 40 °С, подавати сиг- нал «несправність» у випадку відмови терморе- зистора та коливання температури поза наведе- ними межами. Практична значимість результатів роботи полягає в застосуванні схеми контролю обігрі- ву для здійснення автоматичного вимірювання та регулювання температури всередині колійної камери [13]. Це значно скорочує час обслугову- вання апаратури виявлення перегрітих букс, адже повністю виключає як здійснення переві- рки температури ртутним термометром вручну в перерві між рухом поїздів, так і необхідність ручного кориктування температури в разі вияв- Рис. 3. Алгоритм роботи мікроконтролера лення її невідповідності нормам. Fig. 3. The functionality algorithm Висновки of the microcontroller У статті проведено аналіз роботи наявних Для забезпечення роботи двох типів ТРМ систем контролю перегрітих букс, а саме у колійній камері терморезистор обирають типу ПОНАБ–3 та ДИСК–Б, а також їх модернізова- СТ1–17–4,7кОм. Нова розроблена ТРМ забез- ної апаратури КТСМ. Наведено переваги та не- печує налаштування й підтримання температу- доліки [6]. Визначено потребу в автоматизації ри в колійній камері в межах від 21 до 40 °С. процесів заміру, обробки та передачі даних про Значення температури висвічується на індика- температуру колійної камери. Також доведено торі. Налаштування гістерезису відбувається необхідність вдосконалення наявної схеми мік- між вмиканням і вимиканням нагріву в межах ропроцесорного терморегулятора ТРМ. Здійс- 5 °С із кроком у 0,1 °С. За досягнення темпера- нено опис його роботи та проаналізовано недо- тури в колійній камері нижче 21 °С і вище ліки на основі досвіду проведення вимірювань 40 °С або, наприклад, за відмови терморезисто- температури колійної камери в перервах між ра внаслідок обриву чи за наявності інших не- рухом поїздів. Доведено необхідність вдоско- справностей відбувається передача інформації налення схеми вимірювання температури, яку у вигляді сигналу «несправність» АРМ ЛПК. наразі використовують на залізниці. Наявна Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196015 © К. І. Ящук, С. С. Петровський, 2019

12 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

АВТОМАТИЗОВАНІ ТА ТЕЛЕМАТИЧНІ СИСТЕМИ НА ТРАНСПОРТІ

схема була модернізована мікропроцесором та швидко реагувати на можливі температурні рядом допоміжних електронних елементів, що зміни поза встановленими межами, вона значно забезпечують автоматичні заміри та передачу скорочує час обслуговування апаратури, а та- інформації про рівні температур у колійній ка- кож виключає можливість впливу на достовір- мері. Розроблена електронна схема дозволяє ність вимірів температури людського фактора.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. Автоматизированный контроль подвижного состава на ходу поезда : учебное пособие / В. С. Марюхненко, Ю. Ф. Мухопад, Б. М. Миронов, В. А. Алексеенко. – Иркутск : ИрГУПС, 2016. – 176 с. 2. Иванова, В. Ю. Системы бесконтактного обнаружения нагретых букс вагонов / В. Ю. Иванова. // Акту- альные направления научных исследований: перспективы развития : материалы Междунар. науч. – практ. конф. (Чебоксары, 23 апр. 2017 г.). – Чебоксары : ЦНС «Интерактив плюс», 2017. – С. 261–263. 3. Колонтаєвський, Ю. П. Електроніка і мікросхемо техніка : підручник. 2-е вид / Ю. П. Колонтаєвський, А. Г. Сосков. – Київ : Каравела, 2009. – 416 с. 4. Комплекс технических средств для модернизации аппаратуры ПОНАБ-3 и ДИСК-Б «КТСМ-01Д» [Электронный ресурс] : эксплуатационная документация : альбом 1–4. – [Б. м.], 2001. – Режим доступа: https://studfile.net/preview/8166000/page:2/ – Назва з екрана. – Перевірено : 22.11.2019. 5. Матвійків, М. Д. Елементи та компоненти електронних пристроїв : підручник / М. Д. Матвійків, Б. С. Вус, О. М. Матвійків ; Нац. ун-т «Львів. поолітехніка». – Львів : Вид-во Львів. політехніки, 2015. – 494 с. 6. Система теплового контролю буксових вузлів рухомого складу / І. Е. Мартинов, О. В. Нейчев, О. О. Сосунов, В. М. Петухов, А. В. Труфанова // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. – 2018. – № 5. – С. 32–38. 7. Сосков, А. Г. Промислова електроніка : підручник / А. Г. Сосков, Ю. П. Колонтаєвський. – Київ : Кара- вела, 2017. – 536 с. 8. Указания о порядке замены, проверки и ремонта в КИПе устройств системы ДИСК-БКВ-Ц: Утв. Гл. упр. сигнализации, связи и вычисл. техники М-ва путей сообщ. СССР 29.06.90. – Москва : Транспорт, 1991. – 48 с. 9. Черепов, О. В. Информационные технологии и системы комплексного контроля технического состоя- ния вагонов. Часть 2. Системы комплексного контроля технического состояния вагонов : учебное по- собие / О. В. Черепов, М. А. Козарезова. – Екатеринбург : УрГУПС, 2017. – 107 с. 10. An Analysis of the Efficacy of Wayside Hot-Box Detector Data / C. Tarawneh, V. V. Hernandez, J. A. Aranda, C. J. Ramirez. // Joint Rail Conference. – 2018. – P. 1–8. doi: 10.1115/JRC2018-6218 11. Detection of thermal bridges from thermographic images by means of image processing approximation algorithms / F. Asdrubali, G. Baldinelli, F. Bianchi, D. Costarelli, A. Rotili, M. Seracini, G. Vinti // Applied Mathematics and Computation. – 2018. – Vol. 317. – P. 160–171. doi: 10.1016/j.amc.2017.08.058 12. He, D. Defect detection of hot rolled steels with a new object detection framework called classification priority network / D. He, K. Xu, P. Zhou. // Computers & Industrial Engineering. – 2019. – Vol. 128. – P. 290–297. doi: 10.1016/j.cie.2018.12.043 13. Hot box detection system design for railway vehicle safety / G. Garip, I. Ustoglu, T. V. Mumcu, O. T. Kaymakci // 5th International Conference on Design and Product Development. – 2014. – С. 31–36. 14. Toullier, T. Study of complementary multi-sensors data influence on infrared thermography measurements for in-situ long-term monitoring / T. Toullier, J. Dumoulin, L. Mevel. // Multimodal Sensing and Artificial Intelligence: Technologies and Applications. – 2019. – P. 1–10. doi: 10.1117/12.2526229

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196015 © К. І. Ящук, С. С. Петровський, 2019

13 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

АВТОМАТИЗОВАНІ ТА ТЕЛЕМАТИЧНІ СИСТЕМИ НА ТРАНСПОРТІ

К. И. ЯЩУК1*, C. C. ПЕТРОВСКИЙ2*

1*Каф. «Автоматика и телекоммуникации», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 04, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-8606-5790 2*Каф. «Автоматика и телекоммуникации», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 04, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0001-6539-2250

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО КОМПЛЕКСА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ КТСМ

Цель. При обслуживании аппаратуры обнаружения перегретых букс возникла проблема затрат времени на замеры вручную температур путевых камер, что в эпоху использования электронных программирован- ных устройств является нецелесообразным. Целью данной статьи является усовершенствование схемы кон- троля обогрева путевых камер комплекса технических средств КТСМ, а именно субблока микропроцессор- ного терморегулятора ТРМ, который предназначен для поддержания стабильной температуры внутри путе- вых камер. Методика. В основу исследований положены статистические данные, полученные в результате эксплуатации аппаратуры обнаружения перегретых букс. В статье применены методы схемотехнического моделирования для получения микроэлектронной схемы. Результаты. В работе рассмотрена проблема об- служивания аппаратуры обнаружения перегретых букс вручную. Определена потребность в автоматизации процессов измерения, обработки и передачи данных о температуре путевой камеры. Разработана электрон- ная схема на базе микроконтроллера, которая позволяет быстро реагировать на возможные температурные изменения вне установленных пределов. Выполненные расчеты показывают, что предложенная схема зна- чительно сокращает время обслуживания аппаратуры и исключает человеческий фактор, который может повлиять на достоверность показаний при измерении температуры. Научная новизна. В работе впервые предложена усовершенствованная схема контроля обогрева путевых камер на базе микроконтроллера, кото- рая позволяет автоматически настраивать и поддерживать температуру в путевой камере от 21 до 40 С, по- давать сигнал «неисправность» при отказе терморезистора и колебаниях температуры вне установленных пределов. Практическая значимость. Применение схемы контроля обогрева позволяет автоматизировать измерения температуры внутри путевой камеры. Это существенно сокращает время обслуживания аппара- туры обнаружения перегретых букс, поскольку полностью исключает как осуществление проверки темпера- туры ртутным термометром вручную в перерыве между движением поездов, так и необходимость ручной корректировки температуры в случае обнаружения ее несоответствия нормам. Ключевые слова: автоматика; перегретая букса; обогрев; путевая камера

K. I. YASHCHUK1*, S. S. PETROVSKY2*

1*Dep. «Automation and Telecommunications», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 04, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-8606-5790 2*Dep. «Automation and Telecommunications», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. + 38 (056) 373 15 04, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-6539-2250

IMPROVEMENT OF MICROPROCESSOR COMPLEX SCHEME USING MICROPROCESSOR HARDWARE COMPLEX

Purpose. During the maintenance of equipment for overheated axleboxes detecting, the problem of the time consumption for manual measurement of the trackside chambers temperature appeared. This is impractical in the era of using electronic programmable devices. The purpose of this article is to improve the heating control scheme for trackside chambers of the microprocessor hardware complex, namely the subunit of the microprocessor thermostat, which is designed to maintain a stable temperature inside the trackside chambers. Methodology. The studies are

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196015 © К. І. Ящук, С. С. Петровський, 2019

14 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

АВТОМАТИЗОВАНІ ТА ТЕЛЕМАТИЧНІ СИСТЕМИ НА ТРАНСПОРТІ based on statistical data obtained as a result of the operation of overheated axleboxes detection equipment. In the article the methods of circuit simulation to obtain a microelectronic scheme have been applied. Findings. The work has considered the problem of manual servicing overheated axlebox detection equipment. The necessity of automation measurement procedure, processing and transmission of data on the temperature of the trackside chamber has been determined. An electronic scheme based on a microcontroller has been developed, which allows you to react in case of appearance of possible temperature changes outside the specified limits. The performed calculations show that the proposed scheme significantly reduces the time for servicing the equipment and eliminates the human factor, which can influence the reliability of the readings during the temperature measuring. Originality. For the first time, an improved scheme for controlling the heating of trackside chambers based on a microcontroller has been proposed, which allows automatical adjusting and maintains the temperature in the trackside chamber from 21 to 40°C, and gives the alarm signal when the thermistor fails and temperature fluctuates outside the set limits. Practical value. The heating control scheme applying allows automation of temperature measurements inside the trackside chamber. This significantly reduces the maintenance time for overheated axlebox detection equipment, since it completely eliminates both the necessity for manual check of the temperature with a mercury thermometer between trains traffic and the necessity for manual adjusting the temperature in case of its discrepancy to the standards. Keywords: automation; overheated axlebox; heating; trackside chambers

REFERENCES 1. Maryuhnenko, V. S., Muhopad, Yu. F., Mironov, B. M., & Alekseenko, V. A. (2016). Avtomatizirovannyy kontrol podvizhnogo sostava na khodu poezda : uchebnoe posobie. Irkutsk: IrGUPS. (in Russian) 2. Ivanova, V. Yu. (2017). Sistemy beskontaktnogo obnaruzheniya nagretyh buks vagonov. Aktualnye napravleniya nauchnyh issledovanij: perspektivy razvitiya, 261-263. (in Russian) 3. Kolontayevskij, Yu. P., & Soskov, A. G. (2009). Elektronika i mikroshemotehnika: pidruchnik. Kiev: Kara- vela. (in Ukrainian) 4. Kompleks tekhnicheskikh sredstv dlya modernizatsii apparatury PONAB-3 i DISK-B «KTSM-01D». (2001). Ekspluatatsionnaya dokumentatsiya : albom 1–4. Retrieved from https://studfile.net/preview/8166000/page:2/ 5. Matviikiv, M. D., Vus, B. S., & Matviikiv, O. M. (2015). Elementy ta komponenty elektronnykh prystroiv: pidruchnyk. Lviv: Lvivska politekhnika. (in Ukrainian) 6. Martynov, I. E., Nejchev, O. V., Sosunov, A. A., Petukhov, V. M., & Trufanova, A. V. (2018). Thermal checking hot box system knots of rolling stock. Informacijno-keruyuchi sistemi na zaliznichnomu transporti, 5, 32-38. 7. Soskov, A. G., & Kolontayevskij, Yu. P. (2017). Promislova elektronika: pidruchnik. Kiev: Karavela. 8. Ukazaniya o poryadke zameny, proverki i remonta v KIPe ustroystv sistemy DISK-BKV-Ts: Utv. Gl. upr. signalizatsii, svyazi i vychisl. tekhniki M-va putey soobshch. SSSR 29.06.90. Moskva: Transport. (in Russian) 9. Cherepov, O. V., & Kozarezova, M. A. (2017). Informatsionnye tekhnologii i sistemy kompleksnogo kontrolya tekhnicheskogo sostoyaniya vagonov. Chast 2. Sistemy kompleksnogo kontrolya tekhnicheskogo sostoyaniya vagonov: uchebnoe posobie. Ekaterinburg: UrGUPS. 10. Tarawneh, C., Aranda, J. A., Hernandez, V. V., & Ramirez, C. J. (2018). An Analysis of the Efficacy of Way- side Hot-Box Detector Data. Joint Rail Conference. doi:10.1115/jrc2018-6218 11. Asdrubali, F., Baldinelli, G., Bianchi, F., Costarelli, D., Rotili, A., Seracini, M., & Vinti, G. (2018). Detection of thermal bridges from thermographic images by means of image processing approximation algorithms. Ap- plied Mathematics and Computation, 317, 160-171. doi: 10.1016/j.amc.2017.08.058 12. He, D., Xu, K., & Zhou, P. (2019). Defect detection of hot rolled steels with a new object detection framework called classification priority network. Computers & Industrial Engineering, 128, 290-297. doi:10.1016/j.cie.2018.12.043 13. Garip, G., Ustoglu, I., Mumcu, T. V., & Kaymakci, O. T. (2014). Hot box detection system design for railway vehicle safety. 5th International Conference on Design and Product Development, 31-36. (in English). 14. Toullier, T., Dumoulin, J., & Mevel, L. (2019). Study of complementary multi-sensors data influence on infrared thermography measurements for in-situ long-term monitoring. Multimodal Sensing: Technologies and Ap- plications, 1-10. doi: 10.1117/12.2526229

Надійшла до редколегії: 16.08.2019 Прийнята до друку: 18.11.2019 Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196015 © К. І. Ящук, С. С. Петровський, 2019

15 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

UDC 504.5:[621.565.8:519.87]

L. V. AMELINA1*, M. M. BILIAIEV2*, O. V. BERLOV3*, L. A. CHEREDNYCHENKO4*

1*Dep. «Hydraulics and Water Supply», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 273 15 09, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-8525-7096 2*Dep. «Hydraulics and Water Supply», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 273 15 09, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-1531-7882 3*Dep. «Life Safety», Prydniprovska State Academy of Civil Engineering and Architecture, Chernyshevskoho St., 24а, 49600, tel. +38 (056) 756-34-57 e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-7442-0548 4*Dep. «Life Safety», Prydniprovska State Academy of Civil Engineering and Architecture, Chernyshevskoho St., 24а, 49600, tel. +38 (056) 756-34-57 e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-1457-9282

RISK ASSESSMENT WITH THE USE OF THE MONTE-CARLO METHOD

Purpose. This work involves the development of a numerical model for the calculation of chemical contamination zones in the event of ammonia accident at the pumping station, as well as a model for assessing the risk of damage and wound depth in the body in case of fragments scattering formed during the pipeline explosion at the pumping station. Methodology. To solve this problem, we used the mass transfer equation for the ammonia propagation in the air. A potential flow model is used to calculate the air flow velocity field in the presence of buildings at the ammonia pumping station. The numerical solution of the three-dimensional equation for the velocity potential is derived by the cumulative approximation method. When using this numerical model, the irregular field of wind flow velocity, the change in vertical atmospheric diffusion coefficient with altitude, the ammonia emission intensity, the emission point of the chemical substance were taken into account. A differential splitting scheme was used to numerically solve the ammonia transfer equation in the air. Physical splitting of the three-dimensional mass transfer equation to a system of equations describing the contaminant transfer in one coordinate direction is carried out be- forehand. At each step of splitting, the unknown value of ammonia concentration is determined by an explicit scheme of point-to-point computation. A mathematical model for calculating the fragments scattering in case of emergency at the pumping station is considered. Findings. On the basis of the developed numerical model, a computational experiment was conducted to estimate the level of air pollution at the ammonia pumping station. The area of possible damage of people during the fragment scattering during the explosion at the ammonia pumping station was determined. Originality. A numerical model has been developed that allows calculating the chemical contamination zones in case of emergency ammonia emission at the pumping station. The model is complemented by assessment of impact zones in case of fragment scattering during the pumping station explosion. Practical value. Based on the developed mathematical model, a computer program was created, which allows per- forming serial calculations for determining the impact zones during emergency situations at the chemically hazardous objects. The mathematical model developed can be used to perform serial calculations during the development of emergency response plan for chemically hazardous objects. Keywords: atmosphere chemical pollution; emergency emission; mathematical modeling

Creative Commons Attribution 4.0 International © l. V. Amelina, M. M. Biliaiev, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195376 O. V. Berlov, l. A. Cherednychenko, 2019

16 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

Introduction Methodology The emission of chemically hazardous sub- Emission of chemically hazardous substances stances during industrial accidents poses a threat to can lead to extremely negative consequences – the lives of employees of these enterprises and the death of people (staff at the industrial site, popula- population at all. In this regard, an extremely im- tion). The risk of lethal injury to humans depends portant problem is the injury risk assessment in the on many factors, among which the mass of a chem- event of such man-made accidents. To solve the ically dangerous substance entering the atmosphere problems of this class, a number of parameters are is determinative. As it is known, this value is of essentially plausible, such as the intensity of the probabalistic nature. However, emission limits for chemical substance emission. This forces to use the certain objects can be set based on the analysis of models representing the probability of one or an- available statistical data. One can use the Monte- other parameter, in addition to deterministic math- Carlo method to determine the mass of a chemical- ematical models. Therefore, the scientific direction ly dangerous substance at an industrial site (for of the mathematical models development for pre- example, an ammonia pumping station). In this dicting the environmental pollution level in case of case, the methodology for assessing the risk of in- emergency emission of chemically dangerous sub- jury will be as follows: stances is of practical interest. This makes it possi- 1. To set the limits for possible release of ble in a certain way to take into account the proba- a chemically dangerous substance at industrial site bility of a number of parameters that affect the known from expert judgment (M1 is the minimum formation of chemical contamination zones. known mass of the substance; M2 is the maximum To assess the risk of human injury at chemical- known mass of the substance). ly hazardous objects [1, 2, 4, 6–9], as a rule two 2. To determine the most likely mass of approaches are used. They are a Gaussian model or a chemically dangerous substance Q0 that can get a normative technique used in the State Emergency into atmospheric air in the event of a possible Service of Ukraine (SES). Based on these ap- emergency. proaches, one can quickly determine the extent of 3. To determine the air pollution zone in the chemical contamination zones, but they have event of the release of a chemically dangerous sub- a number of significant disadvantages, for exam- stance in the amount Q . In this zone, there is ple, they do not take into account the influence of 0 a subzone where the concentration of a chemically buildings. In connection with this creation of dangerous substance exceeds the limit value (for mathematical models that allow quick determining example, a lethal concentration). the dimensions of chemical contamination zones 4. To determine the number of people N who and the risk of damage to humans is an urgent task [10-13]. The chemical damage risk is defined as an were in a subzone where a lethal concentration of area where the concentration of a chemically dan- a chemically dangerous substance was predicted. gerous substance exceeds the maximum allowable Thus, solving a problem consists of two main concentration (MAC). steps: – the first is the calculation of the possible Purpose emission intensity of a chemically dangerous substance by the Monte-Carlo method; The main purpose of the work is the develop- – the second is the calculation of the zones of ment of a numerical model for quick prediction of chemical contamination with the definition of sub- chemical contamination zones in case of accidental zones of lethal injury. ammonia emission at the pumping station, as well To estimate the level of chemical pollution of as the development of a model for the damage risk the atmospheric air we will use the three- assessment and the depth of wound in the event of dimensional mass transfer equation [2, 3, 5]: fragments scattering formed during the pipeline explosion.

Creative Commons Attribution 4.0 International © l. V. Amelina, M. M. Biliaiev, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195376 O. V. Berlov, l. A. Cherednychenko, 2019

17 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

For numerical integration of equations (3), we C  uC  vC w wg  C     C  use an alternating-triangular difference scheme [5] t  x  y  z and the Euler method. For mathematical modeling of the wind flow div  gradC   field at an industrial site, we use the model of poten- N tial flow. The calculation is based on equation [5]:

Q0  t   x  xi    y  yi    z  zi , (1) 222 i1 PPP 2 2  2  0 , (4) here C – is ammonia concentration; u,, v w – vec- x  y  z tor components of the wind flow velocity; where Р – is the velocity potential.

x  xi    y  yi    z  zi  – Dirac delta function; The air flow velocity components are defined as follows:   x,,  y  z  – turbulence diffusivity coeffi- P P P cients; xi,, y i z i – ammonia emission source coor- u  ; v  ; w  . (5) x y z dinates;  – coefficient taking into account the chemical decay of impurity, precipitation scaveng- The boundary conditions for equation (4) are as ing; Q –ammonia emission rate; wg – the rate of follows: P gravity sedimentation of the impurity; t – time. 1)  0 on impermeable boundaries and on Boundary conditions for the mass transfer n equation are considered in the work [5]. the upper surface of the calculation area; During the calculations, we will take into ac- P 2) V at the boundary where the flow en- count unevenness of the vertical diffusion coeffi- n n cient and the air velocity in height: ters the calculation area, Vn – known air velocity; p m z z 3) P = const – at the outflow boundary of the uu 1 , z k1 ; calculated area. z z 1 1 For the numerical solution of equation (4), we use the method of total approximation, so we re-     ku, (2) xy0 duce this equation to the form: where p  0.15 ; m 1; k1  0.2 ; k0 0.1 1. PPPP 222   For numerical integration of equation (1) we 2  2  2 , (6) t x  y  z will use finite-difference methods [5]. We perform preliminary splitting of equation (1) into the se- where t – time dummies. quence of solving the following equations: The calculated dependence for determining the velocity potential is written in the following form C  uC   C   x ; in two steps of splitting: t  x  x  x n1 2 n n1 2 n1 2 PPPPPPijk,, ijk ,,  ijk ,,  ijk ,, ijk ,, ijk ,1, CCC       t 22    y ; xy t  y  y  y n12 PPi, j , k i , j , k 1 w w C  ; (7) CCg    z2   z ; t  z  z  z  n1 n  1 2n 1 n  1 n1 n  1 PPPPPPijk,,,, ijk  ijk, ,  ijk 1, ,  ijk , ,  ijk , 1, C   C  t xy22 t nn11 PPi, j , k i , j , k  1 Q t  x  x()(). t  y  y t (3)  2 .  0   ii    z

Creative Commons Attribution 4.0 International © l. V. Amelina, M. M. Biliaiev, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195376 O. V. Berlov, l. A. Cherednychenko, 2019

18 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

The calculation according to this formula is a short time, so it is assumed that it will last 3 sec., terminated if the following condition is fulfilled: that is, we have a semi-continuous emission. The calculation is based on two approaches. nn1 PPi,,,, j k i j k ε , The first is a calculation based only on the kinematic model (1). The second is a calculation based where n – iteration index (number of steps in on two models: aerodynamics (4) and mass trans- time); ε – small number. fer models (1). That is, for the first calculation, the location of buildings at the pumping station is not We determine the components of the velocity taken into account. For the second calculation, the vector on the edges of the difference cells as fol- presence of buildings at the pumping station is tak- lows: en into account. PP PP u  i, j , k i 1, j , k ; v  i, j , k i , j 1, k ; i,, j k x i,, j k y

PP w  i, j , k i , j , k 1 . (8) i,, j k z Based on the difference equations considered, a computer program was created that includes several subprograms: 1) subprogram for calculation of velocity potential field; 2) subprogram for calculation of air velocity Fig. 1. Computational scheme: 1 – the place of emission of the chemically dangerous sub- field in the conditions of building; stance at the pump station; 2 – receptor position 3) subprograms for calculation of impurity concentration in the air for different time points after emergency emission. For ease of use, the initial data file has been separated. The user adds to this file data on the location of buildings at the pumping station, the location of emergency emission, the intensity of the emission and other parameters. FORTRAN was used to encode the difference equations.

Findings The developed numerical model was used to Fig. 2. Chemical contamination zone of atmospheric air calculate the zone of chemical contamination in (building influence on forming the contamination zone case of accidental ammonia emission at the pump- is not taken into account, level z = 2.5 m, t = 35 sec) ing station located near the Bashmachka settlement Fig. 2 shows a chemical contamination zone of (Fig. 1). Based on expert data analysis, it has been atmospheric air at the pumping station where am- determined that ammonia emission can range from monia emission takes place; the calculation is per- 200 to 500 kg. Based on the Monte-Carlo method, formed only based on the kinematic model. We see it is estimated that, within this range, the highest that chemical contamination zone has the form of probability of accident ammonia emission (19%) “drop”, no deformation of this zone is found. corresponds to a 300 kg emission. Therefore, this Fig. 3 shows the predicted zone of chemical emission was taken for the computational experi- contamination, to determine which the location of ment. Since there is some inertia at the pump stop, buildings at the pumping station is used. it is clear that the emission will occur within

Creative Commons Attribution 4.0 International © l. V. Amelina, M. M. Biliaiev, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195376 O. V. Berlov, l. A. Cherednychenko, 2019

19 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

Fig. 3. Chemical contamination zone of atmospheric air, the calculation is made taking into account the buildings at the pumping station (level z = 2.5 m, t = 35 sec) Comparing Fig. 3 and 2, we see a significant difference, namely the deformation of chemical contamination zone due to the influence of buildings on the process of toxic substance spread in the air.

Fig. 5. Pipelines at the ammonia pumping station (https://ru.wikipedia.org/wiki/Аммиакопровод)

Fig. 4. Changing the concentration of chemically dangerous substance at the receptor location point Fig. 4 shows the dynamics of changes in the ammonia concentration at the industrial site near the building (Fig. 1, position of the receptor 2). As we can see from Fig. 4, in the event of emergency ammonia emission, its concentration at the industrial site, near the industrial building, will be substantially higher than the MAC (MAC = 20 mg/m3), i.e. there will be a risk of toxic damage to people at the site. Let us note that the computation time is 5 sec. At the second stage of the study, the risk of injury to humans in case of fragment scattering due to explosion at the ammonia pumping station was assessed. For example, such an explosion may occur on the pipelines located at the pumping station (Fig. 5). Fig. 6. Scheme of fragment scattering

Creative Commons Attribution 4.0 International © l. V. Amelina, M. M. Biliaiev, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195376 O. V. Berlov, l. A. Cherednychenko, 2019

20 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

The impact zone is defined by the range of the The angle of fragment scattering is the initial pipeline fragments. To simulate the process of data (Fig. 6, angle  ). fragment scattering in the air, Newton's second law Below the figure shows the area of possible of motion dynamics of material point was used. In human injury in case of ejection of steel fragment vector form for a fragment having mass m, motion having a reduced diameter of 1 cm. The fragment dynamics is modeled by the equation: ejection is assumed to be at 2 m height. The initial fragment velocity is taken at 150 m/sec. An im- dV m  FRg  F , (9) portant parameter for assessment of the impact dt zones in case of fragment scattering is to determine where V – is the vector of fragment scattering the angle at which the fragment leaves the explo- speed; F mg – is gravity force; sion zone (Fig. 6, angle  ). The range of the scat- g tering angle may be different. The work deals with  V 2 в the range of fragment scattering 0 90 . The FCSRx – resistance force; Cx – re- 2 Monte-Carlo method determined that the fragment sistance coefficient;  – air density; S – frontal в scattering range  15  30  corresponds to the area. The fragment formed during explosion has highest probability – 37%. Fig. 7 presents the re- a complex geometric shape. To apply model (9), sults of the calculation for the scattering angle we perform the following procedure. First, we de- 30 . termine the volume of fragment. Next, suppose that a “reduced sphere” with a radius R has such a volume. Then knowing that the volume of fragment is equal to W , we find the radius of the “reduced sphere” using the expression 4 3W WR   3 : R  3 . 3 4 Further, knowing the mass of the fragment material and its initial velocity, we make calculations based on the model (9). Preliminary vector equation (9) is written in the projections on the X, Y axis (the Y axis is directed vertically up): du  V 2 m  Cв  S  u; (10) dt x 2 Fig. 7. Impact zone in case of fragment scattering after dv  V 2 the explosion at the ammonia pumping station m  Cв  S  v  mg . (11) dt x 2 As we can see from Fig. 7, this fragment may reach the boundaries of Bashmachka and Kalyniv- The weight of fragment is determined as fol- ka settlements. That is, there is a threat of damage lows: mW ст  , where ст – is the density of to people at a sufficiently large distance from the fragment material. pumping station. Euler method was used for numerical integra- In addition to this model, a model of fragment tion of equations (10) – (11). The midsection is movement in the body of the animal, which ap- calculated as follows: peared to be in the impact zone, was also developed (Fig. 8). d 2 S  , 4 where dR 2 .

Creative Commons Attribution 4.0 International © l. V. Amelina, M. M. Biliaiev, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195376 O. V. Berlov, l. A. Cherednychenko, 2019

21 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

 V 2 Vnn1  V  dt  Cm  S . (14) x 2m Using this difference dependency, we determine the fragment velocity in the animal body at each time step. The depth of fragment penetration into the body xt  (Fig. 8), at each time step, is determined as follows:

x t   x0  dt  V , (15)

where x0  0 – corresponds to the starting point of Fig. 8. Scheme of damage to the animal by fragment: the animal body, i.e. the place where the fragment 1 – a fragment in flight enters the body (Fig. 8); xt  – is the new position The velocity of fragment before the “obstacle,” of the fragment in the body as a result of its that is, the body, is determined based on solving movement. equations (10) – (11). The fragment “meets” the It should be noted that dependence (15) makes body of the animal (human) at an angle  (Fig. 8), it possible to estimate the wound size in the body which can be calculated in the process of solving that is to determine the damage severity to the an- equations (10) – (11), based on the determined imal or person in the first approximation. values of the movement velocity components u, v Table 1 shows the data for determining the and for a specific height H of fragment above the depth of fragments penetration into the body of the earth surface. We set the height H. Then the animal for the damage area of 1239 m. To calcu- movement of fragment in the body begins. We late the wound size in the body the height model this process with the following equation of Hm1.6 is taken as the calculated one. That is, material point motion (Newton's second law): the data on the fragment penetration and its flight dV speed at this height were initial to calculate the mF , (12) dt R fragment movement in the body. Let us note that time t  0 corresponds to the moment of fragment where V – the velocity motion vector of the impact on the body. fragment in the body of an animal (human); F – R Table 1 resistance power: m – fragment weight. Choosing the coordinate axis ОХ in the direc- Penetration depth of the fragment into the body tion of fragment movement in the body, one can (distance 1239 m from the place of explosion of the gas-air mixture) write the equation of movement (12) in projection on this axis: 0.001 0.003 0.007 0.020 0.030 Time sec sec sec sec sec dV  V 2 m  Cm  S , (13) x 0.09 m 0.24 m 0.43 m 0.77 m 0.92 m dt x 2 where Cx – resistance coefficient; m –density of From Table 1 we see that in about 0.03 sec., the the meat; s – frontal area. For calculations it is animal's body will be wounded through. 1066kg m3 taken that m . Originality and practical value We numerically solve this equation by the Euler method. The calculated dependence for determin- A mathematical model has been developed that ing the fragment velocity value in the body (at a allows calculating the zones of chemical contami- new time step n 1), is determined as follows by nation in case of accidental ammonia emission at the Euler method: the pumping station. The model allows making predictive calculations taking into account the in-

Creative Commons Attribution 4.0 International © l. V. Amelina, M. M. Biliaiev, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195376 O. V. Berlov, l. A. Cherednychenko, 2019

22 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА fluence of buildings on the formation of chemical Conclusions contamination zones. We also proposed a model to 1. A numerical model for the prediction of calculate the size of the damage area in case of chemical contamination zones at industrial sites in fragment scattering generated during the explosion case of emergency emission of chemically hazard- of ammonia+air mixture. This model is comple- ous substances is proposed. mented by the model of fragment movement in the 2. Express model of damage risk assessment in body of an animal (human). case of explosion at the industrial site is developed. The model can be used to design an emergency 3. Assessment of the level of air pollution in response plan (ERP) to identify the risk areas. case of emergency ammonia emission at the pumping station.

LIST OF REFERENCE LINKS 1. Алымов, В. Т. Техногенный риск. Анализ и оценка : учеб. пособие для вузов / В. Т. Алымов, Н. П. Та- расова. – Москва : Академкнига, 2004. – 118 с. 2. Беляев, Н. Н. Защита зданий от проникновения в них опасных веществ : монография / Н. Н. Беляев, Е. Ю. Гунько, Н. В. Росточило. – Днепропетровск : Акцент ПП, 2014. – 136 с. 3. Марчук, Г. И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды / Г. И. Марчук. – Москва : Наука, 1982. – 320 с. 4. Оценка техногенного риска при эмиссии опасных веществ на железнодорожном транспорте / Н. Н. Бе- ляев, Е. Ю. Гунько, П. С. Кириченко, Л. Я. Мунтян. – Кривой Рог : Р. А. Козлов, 2017. – 127 с. 5. Численное моделирование распространения загрязнения в окружающей среде / М. З. Згуровский, В. В. Скопецкий, В. К. Хрущ, Н. Н. Беляев. – Киев : Наук. думка, 1997. – 368 с. 6. Barret, A. M. Mathematical Modeling and Decision Analysis for Terrorism Defense: Assessing Chlorine Truck Attack Consequence and Countermeasure Cost Effectiveness : Degree of Doctor of Philosophy / Antho- ny Michael Barret ; Carnegie Mellon University. – Pittsburg, Pennsylvania, 2009. – 123 p. 7. Berlov, O. V. Atmosphere protection in case of emergency during transportation of dangerous cargo / O. V. Berlov // Наука та прогрес транспорту. – 2016. – № 1 (61). – С. 48–54. doi: 10.15802/stp2016/60953 8. Biliaiev, M. M. Numerical Simulation of Indoor Air Pollution and Atmosphere Pollution for Regions Having Complex Topography / M. M. Biliaiev, M. M. Kharytonov // NATO Science for Peace and Security. Series C: Environmental Security. – Dordrecht, 2012. – P. 87–91. doi: 10.1007/978-94-007-1359-8_15 9. CEFIC Guidance on safety Risk Assessment for Chemical Transport Operations [Electronic resource] // Croner-i. – Available at: http://clc.am/OnkmUw – Title from the screen. – Accessed : 08.11.2019 10. Development of advanced mathematical predictive models for assessing damage avoided accidents on potentially-dangerous sea-based energy facility / A. Tumanov, V. Gumenyuk, V. Tumanov // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. – 2017. – Vol. 90. – P. 1–11. doi: 10.1088/1755-1315/90/1/012027 11. Effect of barriers on the status of atmospheric pollution by mathematical modeling / Z. Naserzadeh, F. Atabi, F. Moattar, N. Moharram Nejad // Bioscience Biotechnology Research Communication. – 2017. – Vol. 10 (1). – P. 192–204. 12. Multi-Objective Optimization Model of Emergency Organization Allocation for Sustainable Disaster Supply Chain / C. Cao, C. Li, Q. Yang, F. Zhang // Sustainability. – 2017. – Vol. 9. – Іss. 11. – P. 1–22. doi: 10.3390/su9112103 13. Protective Action Criteria. A Review of Their Derivation, Use, Advantages and Limitations [Electronic resource] // Environmental Public Health Science Unit, Health Protection Branch, Public Health and Compliance Division, Alberta Health. – Edmonton, Alberta, 2017. – Available at: http://open.alberta.ca/publications/9781460131213 – Title from the screen. – Accessed : 08.11.2019 14. The analysis of the use of mathematical modeling for emergency planning purposes / O. Zavila, P. Dobes, J. Dlabka, J. Bitta // The Science for Population Protection. – 2015. – No. 2. – P. 1–9.

Creative Commons Attribution 4.0 International © l. V. Amelina, M. M. Biliaiev, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195376 O. V. Berlov, l. A. Cherednychenko, 2019

23 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

Л. В. АМЕЛІНА1*, М. М. БІЛЯЄВ2*, О. В. БЕРЛОВ3*, Л. А. ЧЕРЕДНИЧЕНКО4*

1*Каф. «Гідравліка та водопостачання», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академі- ка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056) 273 15 09, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-8525-7096 2*Каф. «Гідравліка та водопостачання», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академі- ка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056) 273 15 09, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-1531-7882 3*Каф. «Безпека життєдіяльності», ДВНЗ «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури», вул. Черни- шевського, 24а, Дніпро, Україна, 49600, тел. +38 (056) 756 34 57, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-7442-0548 4*Каф. «Безпека життєдіяльності», ДВНЗ «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури», вул. Черни- шевського, 24а, Дніпро, Україна, 49600, тел. +38 (056) 756 34 57, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-1457-9282

ОЦІНКА РИЗИКУ УРАЖЕННЯ З ВИКОРИСТАННЯМ МЕТОДУ МОНТЕ-КАРЛО

Мета. Ця робота передбачає розробку чисельної моделі для розрахунку зон хімічного забруднення у ра- зі аварійної емісії аміаку на території насосної станції, що здійснює перекачування, а також розробку моделі оцінки ризику ураження та глибини рани в тілі у випадку розлітання уламків, що утворюються під час вибу- ху трубопроводу. Методика. Для розв’язання поставленої задачі – визначення зон поширення аміаку в ат- мосферному повітрі – використано рівняння масопереносу. Для розрахунку поля швидкості повітряного потоку за наявності будівель на території насосної станції, що перекачує аміак, використано модель потен- ціальної течії. Чисельне розв’язання тривимірного рівняння для потенціалу швидкості проведено за допомо- гою методу сумарної апроксимації. Під час використання цієї чисельної моделі враховано нерівномірне поле швидкості вітрового потоку, зміну вертикального коефіцієнта атмосферної дифузії з висотою, інтенсивність емісії аміаку, місце викиду хімічно небезпечної речовини. Для чисельного розв’язання рівняння переносу аміаку в атмосферному повітрі використано різницеву схему розщеплення. Попередньо здійснено фізичне розщеплення тривимірного рівняння масопереносу на систему рівнянь, що описують перенос забруднювача в одному координатному напрямку. На кожному кроці розщеплення невідоме значення концентрації аміаку визначено за явною схемою біжучого рахунку. Розглянуто математичну модель розрахунку розлітання ула- мків під час вибуху на території насосної станції. Результати. На основі розробленої чисельної моделі про- ведено обчислювальний експеримент для оцінки рівня забруднення атмосферного повітря на території насо- сної станції, що перекачує аміак. Визначено зону можливого ураження людей у разі розлітання уламків під час вибуху на території станції. Наукова новизна. Розроблено чисельну модель, що дозволяє розраховува- ти зони хімічного зараження в разі аварійної емісії аміаку на території насосної станції. Модель доповнено оцінкою зон ураження у випадку розлітання уламків під час вибуху. Практична значимість. На базі розро- бленої математичної моделі створено комп’ютерну програму, що дозволяє проводити серійні розрахунки для визначення зон ураження під час надзвичайних ситуацій на території хімічно небезпечних об’єктів. Роз- роблена математична модель може бути використана під час складання плану ліквідації аварійної ситуації (ПЛАС) для хімічно небезпечних об’єктів. Ключові слова: хімічне забруднення атмосфери; аварійна емісія; математичне моделювання

Creative Commons Attribution 4.0 International © l. V. Amelina, M. M. Biliaiev, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195376 O. V. Berlov, l. A. Cherednychenko, 2019

24 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

Л. В. АМЕЛИНА1*, Н. Н. БЕЛЯЕВ2*, А. В. БЕРЛОВ3*, Л. А. ЧЕРЕДНИЧЕНКО4*

1*Каф. «Гидравлика и водоснабжение», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 273 15 09, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-8525-7096 2*Каф. «Гидравлика и водоснабжение», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 273 15 09, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-1531-7882 3*Каф. «Безопасность жизнедеятельности», ГВУЗ «Приднепровская государственная академия строительства и архитек- туры», ул. Чернышевского, 24а, Днипро, Украина, 49600, тел. +38 (056) 756 34 57, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-7442-0548 4*Каф. «Безопасность жизнедеятельности», ГВУЗ «Приднепровская государственная академия строительства и архитек- туры», ул. Чернышевского, 24а, Днипро, Украина, 49600, тел. +38 (056) 756 34 57, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-1457-9282

ОЦЕНКА РИСКА ПОРАЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА МОНТЕ-КАРЛО

Цель. Данная работа предусматривает разработку численной модели для расчета зон химического за- грязнения в случае аварийной эмиссии аммиака на территории насосной станции, осуществляющей пере- качку, а также разработку модели оценки риска поражения и глубины раны в теле при разлете осколков, образовавшихся во время взрыва трубопровода. Методика. Для решения поставленной задачи – определе- ния зон распространения аммиака в атмосферном воздухе – использовано уравнение массопереноса. Для расчета поля скорости воздушного потока при наличии зданий на территории насосной станции, перекачи- вающей аммиак, использовано модель потенциального течения. Численное решение трехмерного уравнения для потенциала скорости проведено с помощью метода суммарной аппроксимации. При использовании этой численной модели учтено неравномерное поле скорости ветрового потока, изменение вертикального коэф- фициента атмосферной диффузии с высотой, интенсивность эмиссии аммиака, место выброса химически опасного вещества. Для численного решения уравнения переноса аммиака в атмосферном воздухе использо- вана разностная схема расщепления. Предварительно осуществлено физическое расщепление трехмерного уравнения массопереноса на систему уравнений, описывающих перенос загрязняющего вещества в одном координатном направлении. На каждом шагу расщепления неизвестное значение концентрации аммиака определено по явной схеме бегущего счета. Рассмотрена математическая модель расчета разлетания облом- ков на территории насосной станции. Результаты. На основе разработанной численной модели проведен вычислительный эксперимент для оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха на территории насос- ной станции, которая перекачивает аммиак. Определена зона возможного поражения людей при разлетании осколков во время взрыва на территории станции. Научная новизна. Разработана численная модель, позво- ляющая рассчитывать зоны химического заражения при аварийной эмиссии аммиака на территории насос- ной станции. Модель дополнена оценкой зон поражения при разлетании осколков во время взрыва. Практическая значимость. На базе разработанной математической модели создана компьютерная про- грамма, позволяющая проводить серийные расчеты для определения зон поражения при чрезвычайных си- туациях на территории химически опасных объектов. Разработанная математическая модель может быть использована при составлении плана ликвидации аварийной ситуации (ПЛАС) для химически опасных объ- ектов. Ключевые слова: химическое загрязнение атмосферы; аварийная эмиссия; математическое моделирова- ние

REFERENCES 1. Alymov, V. T., & Tarasova, N. P. (2004). Tekhnogennyy risk. Analiz i otsenka: uchebebnoe posobie dlya vuzov. Moscow: Akademkniga. (in Russian) 2. Biliaiev, N. N., Gunko, E. Y., & Rostochilo, N. V. (2014). Zashchita zdaniy ot proniknoveniya v nikh opasnykh veshchestv: Monografiya. Dnepropetrovsk: Aktsent PP. (in Russian) 3. Marchuk, G. I. (1982). Matematicheskoye modelirovaniye v probleme okruzhayushchey sredy. Moscow: Nau- ka. (in Russian)

Creative Commons Attribution 4.0 International © l. V. Amelina, M. M. Biliaiev, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195376 O. V. Berlov, l. A. Cherednychenko, 2019

25 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

4. Belyaev, N. N., Gunko, Y. Y., Kirichenko, P. S., & Muntyan, L. Y. (2017). Otsenka tekhnogennogo riska pri emissii opasnykh veshchestv na zheleznodorozhnom transporte. Krivoi Rog: Kozlov R. A. (in Russian). 5. Zgurovskiy, M. Z., Skopetskiy, V. V., Khrushch, V. K., & Biliaiev, N. N. (1997). Chislennoe modelirovanie rasprostraneniya zagryazneniya v okruzhayushchey srede. Kyiv: Naukova dumka. (in Russian) 6. Barret, A. M. (2009). Mathematical Modeling and Decision Analysis for Terrorism Defense: Assessing Chlo- rine Truck Attack Consequence and Countermeasure Cost Effectivness. (Doctoral dissertation). Carnegie Mellon University, Pittsburg, Pennsylvania. (in English) 7. Berlov, O. V. (2016). Atmosphere protection in case of emergency during transportation of dangerous cargo. Sciance and Transport Progress, 1(61), 48-54. doi: 10.15802/stp2016/60953 (in English) 8. Biliaiev, M. M., & Kharytonov, M. M. (2012). Numerical Simulation of Indoor Air Pollution and Atmosphere Pollution for Regions Having Complex Topography. NATO Science for Peace and Security. Series C: Envi- ronmental Security, 87-91. doi: 10.1007/978-94-007-1359-8_15 (in English) 9. CEFIC Guidance on safety Risk Assessment for Chemical Transport Operations. Croner-i. Retrieved from http://clc.am/OnkmUw (in English) 10. Tumanov, A., Gumenyuk, V., & Tumanov, V. (2017). Development of advanced mathematical predictive models for assessing damage avoided accidents on potentially-dangerous sea-based energy facility. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 90, 1-11. doi: 10.1088/1755-1315/90/1/012027 (in English) 11. Naserzadeh, Z., Atabi, F., Moattar, F., & Nejad, N. M. (2017). Effect of barriers on the status of atmospheric pollution by mathematical modeling. Bioscience Biotechnology Research Communications, 10(1), 192-204. (in English) 12. Cao, C., Li, C., Yang, Q., & Zhang, F. (2017). Multi-Objective Optimization Model of Emergency Organiza- tion Allocation for Sustainable Disaster Supply Chain. Sustainability, 9(11), 1-22. doi: 10.3390/su9112103 (in English) 13. Government of Alberta. (2017). Protective Action Criteria: A Review of Their Derivation, Use, Advantages and Limitations. Environmental Public Health Science Unit, Health Protection Branch, Public Health and Compliance Division, Alberta Health. Edmonton, Alberta. Retrieved from http://open.alberta.ca/publications/ 9781460131213 (in English) 14. Zavila, О., Dobes, Р., Dlabka, J., & Bitta, J. (2015). The analysis of the use of mathematical modeling for emergency planning purposes. The Science for Population Protection, 2, 1-9. (in English)

Received: August 13, 2019 Accepted: November 26, 2019

Creative Commons Attribution 4.0 International © l. V. Amelina, M. M. Biliaiev, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195376 O. V. Berlov, l. A. Cherednychenko, 2019

26 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

УДК 504.5:[621.43.064:519.87]

В. І. НОЧВАЙ1*

1*Науково-дослідний відділ № 215 «Інформатика навколишнього середовища», Інститут проблем математичних машин і систем НАН України, вул. Академіка Глушкова, 42, Київ, Україна, 03187, тел. +38 (066) 758 84 57, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-0288-8675

ФАКТОР ЕМІСІЇ ПЕРЕСУВНИХ ДЖЕРЕЛ ЗАБРУДНЕННЯ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛІННЯ ЯКІСТЮ ПОВІТРЯ ВЕЛИКИХ МІСТ

Мета. Підвищення інтенсивності руху автотранспорту у великих містах потребує впровадження планів поліпшення якості атмосферного повітря згідно з «Порядком здійснення державного моніторингу в галузі охорони атмосферного повітря». Для розробки і обґрунтування заходів зі зниження забруднення повітря та негативного впливу на довкілля й здоров’я населення в інформаційних системах ухвалення рішень необхід- но обробляти великі масиви наявної різнорідної інформації та використовувати математичні моделі прий- няття рішень. Метою роботи є розробка математичної моделі прийняття рішень для оцінки ефективності планів управління якістю повітря в містах із високим рівнем викидів пересувних джерел забруднення. Методика. Для класу задач управління якістю повітря в містах застосовують методику побудови математи- чних моделей прийняття рішень в умовах невизначеності емісійних параметрів, зумовлених неповними да- ними щодо викидів автотранспорту та їх розподілу по території міста. Розглянуто структуру потоків даних в інформаційній системі відповідно до вимог сучасних систем підтримки прийняття екологічних рішень, під час чого керівні органи та особи мають можливість враховувати різні критерії соціального та економічного характеру. Результати. Аналіз даних державної статистики показав посилення впливу пересувних джерел на структуру забруднення повітря великих міст. Розглянуто інформаційні технології та оптимізаційні моде- лі, що дозволяють оперативно оцінювати вплив автотранспорту інтенсивності його руху на якість атмосфе- рного повітря у містах та приймати стратегічні рішення щодо планування заходів її поліпшення. Наукова новизна. Запропоновано структуру інформаційної системи та модель прийняття рішень для уп- равління якістю повітря на основі методів багатокритеріальної оптимізації емісійних параметрів за допомо- гою побудови матриці «джерело – рецептор» у сітковій області моделювання забруднення території міста викидами автотранспорту. Практична значимість. Модель може бути застосована на етапі проектування муніципальних систем екологічного моніторингу та під час вибору планів поліпшення якості атмосферного повітря в міських агломераціях. Ключові слова: забруднення повітря автотранспортом; прийняття рішень; математичне моделювання; управління якістю повітря в містах

маційних систем обробки даних моніторингу Вступ стану довкілля, моделювання процесів надхо- Для великих міст України характерні під- дження та поширення шкідливих речовин, об- вищені рівні забруднення повітря, зумовлені ґрунтування заходів зі зниження забруднення збільшенням кількості автотранспорту та, від- та його впливу [12–16, 23]. Оскільки одна з фу- повідно, інтенсивністю транспортних потоків. нкцій інформаційної системи для управління Важливим класом екологічних задач є уп- якістю повітря (ІСУЯП) – це забезпечення осо- равління якістю навколишнього середовища, би, що ухвалює рішення, необхідною інформа- а для міського середовища особливо актуальні цією та рекомендаціями щодо варіантів знижен- задачі управління якістю повітря, направлені на ня небезпечних впливів забруднення на екосис- впровадження планів поліпшення якості атмо- теми та здоров’я населення, то для створення сферного повітря згідно з «Порядком здійснен- подібних систем доцільно розробляти відповідні ня державного моніторингу в галузі охорони моделі підтримки прийняття рішення [12–15, атмосферного повітря» [10]. Розв’язання таких 17]. задач потребує розробки комплексних інфор- На першому етапі формування стратегії уп- равління якістю повітря в регіоні, виявлення Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196059 © В. І. Ночвай, 2019

27 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

загальних тенденцій необхідно оцінювати дов- Задачі, які розглядають у системах управ- готермінові середні рівні забруднення повітря, ління якістю повітря, поділимо на такі підзада- його просторові характеристики, проводити чі: детальну інвентаризацію джерел викидів за- 1) задачі моніторингу шкідливих домішок та бруднювальних речовин (ЗР). На другому етапі їхніх джерел; слід вивчати небезпечні ситуації забруднення з 2) задачі моделювання та прогнозування за- використанням методів математичного та бруднення; комп’ютерного моделювання [3, 4]. Лише після 3) задачі визначення залежностей між рівня- цього на основі розроблених імітаційних моде- ми забруднення та здоров’ям населення; лей можна проводити прогнозування небезпеч- 4) задачі планування заходів щодо зменшен- них ситуацій забруднення та розробку рекоме- ня ризику негативного впливу шкідливих речо- ндацій щодо запобіганню їм. вин та інформування населення. ІСУЯП повинна забезпечувати користуваче- Для класу задач управління якістю повітря ві доступ до моделей і даних у процесі прий- в містах застосовують методику побудови ма- няття рішень стосовно вибору варіантів зни- тематичних моделей прийняття рішень в умо- ження шкідливих впливів. Таким чином, за вах невизначеності емісійних параметрів [2, структурою інформаційна система повинна 20], зумовлених неповними даними щодо вики- відповідати структурі сучасних систем підтри- дів автотранспорту та їх розподілу по території мки прийняття рішень. Основним призначен- міста. ням інформаційної системи є обслуговування Прийняття управлінських рішень на основі осіб, що приймають рішення стосовно екологі- великих масивів даних сьогодні є пріоритетним чної безпеки, нормування викидів ЗР та поліп- напрямом упровадження інформаційних техно- шення якості міського довкілля, – органи вико- логій. Оскільки для оцінки переважної більшо- навчої влади, органи місцевого самоврядуван- сті екологічних ситуацій важливо враховувати ня, суб’єкти систем екологічного моніторингу просторове положення або розвиток у просторі та їх територіальні органи. викидів, то суттєву роль у прийнятті обґрунто- ваних рішень відіграють засоби відображення, Мета просторового аналізу та моделювання можли- У цій роботі передбачено розробити модель вого розвитку ситуацій із використанням геоі- прийняття рішень для задачі управління якістю нформаційних систем (ГІС). повітря великих міст відносно оптимізації па- Результати раметрів емісії автотранспорту в умовах непов- них даних щодо викидів ЗР. Аналіз статистичної інформації. Значне скорочення загального обсягу викидів шкідли- Методика вих речовин в атмосферне повітря в Україні Задачу прийняття рішень стосовно управ- відбулося в 1985–2000 рр. внаслідок падіння ління якістю повітря розглянуто як пошук оп- економіки. Обсяг викидів стаціонарних джерел тимальних сценаріїв (планів) зниження антро- скоротився в 3 рази у 2000 порівняно з 1985 р. погенного навантаження (автомобільних вики- (на 8 203,6 тис. т). і становив 3 959,4 тис. т [1]. дів) для досягнення встановлених нормативів Від пересувних джерел обсяг викидів скороти- якості повітря гранично допустима концентра- вся з 6 613,9 тис. т у 1985 до 1 949,2 тис. т ція ((ГДК), допустимі ризики) на всій території у 2000 році. З того часу в масштабах країни ці міста за мінімальних витрат. При цьому в зада- показники, згідно з офіційною статистикою, чах прийняття комплексних управлінських рі- мало змінювались, натомість проявилась тен- шень керівні органи та особи завжди мають денція зростання кількості автотранспорту, можливість враховувати інші критерії соціаль- особливо легкових автомобілів. ного та економічного характеру. Якщо з 1990 до 2005 року, за даними ДП «ДержавтотрансНДІпроект» [6], чисельність автомобілів коливалась навколо позначки Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196059 © В. І. Ночвай, 2019

28 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

3 млн, то вже у 2010 році вона перевищила но структуру потоків інформації інтегрованої 4 млн і досягла у 2015 році 4,6 млн одиниць, СППР–ГІС [9], що потрібно передбачити на серед яких 3,5 млн легкових автомобілів [7, 18]. етапі проектування систем. У наш час автомобільна транспортна систе- Геоінформаційні системи здатні інтегрувати ма України налічує більше ніж 9,2 млн транс- різноманітні просторові дані, необхідні в про- портних засобів, у тому числі [11]: цесі прийняття рішень: просторові характерис- – 6,9 млн легкових автомобілів; тики викидів ЗР, регіональні географічні, соці- – ≈ 250 тис. автобусів; ально-економічні, екологічні та медико- – ≈ 1,3 млн вантажних автомобілів; епідеміологічні характеристики. Поширеним – понад 840 тис. одиниць мототранспорту. є використання ГІС для відображення та аналі- Це зумовило посилення впливу пересувних зу полів забруднення на електронних картах джерел на структуру забруднення повітря вели- [23]. Геоінформаційні системи забезпечують ких міст. Наприклад, у м. Київ у 2018 році, за візуальне зображення багатовимірної екологіч- даними органів статистики, на 142,48 тис. т ав- ної інформації. томобільних викидів приходилось 29,2 тис. т Постановка задачі управління якістю пові- викидів стаціонарних джерел (тобто лише 17 % тря в містах. Для пошуку оптимальних рішень від загального обсягу емісії ЗР у місті). необхідно провести оцінку затрат на реалізацію Статистичні дані про викиди стаціонарних планів поліпшення якості повітря – сценаріїв та пересувних джерел забруднення повітря ро- (w) зниження антропогенного навантаження від зміщено на сайтах органів державної статисти- автомобільних викидів для досягнення екологі- ки. Проте обсяги викидів забруднювальних ре- чних стандартів сдоп . човин пересувними джерелами з 2016 року ре- Отже, запишемо постановку оптимізаційної гіональні органи статистики не розраховують. задачі управління якістю міського повітря Організація потоків даних підсистем в сітковій області GLHh :  моделювання (СППР–ГІС) в інформаційних системах управ- впливу викидів автотранспорту, розподілених ління якістю повітря. Розглянемо структурну по вузлах сітки r (i = 1,2,…, n), як вибір {푤, 퐹} схему основних потоків даних, які треба забез- і оптимальних планів дій щодо зниження рівнів печити в ході проектування сучасних ІСУЯП. забруднення в нормативно-допустимих межах Згідно з вимогами до структури Систем підт- за встановленим критерієм оптимальності: римки прийняття рішень (СППР) [17], ІСУЯП n повинна містити [9]: підсистему інтерфейсу * користувача; підсистему керування базою да- F I w Q    i  Q i  Q i   min ; них; підсистему керування базою моделей та i1 ∗ підсистему керування повідомленнями. де 푄푖 – початковий, а 푄푖 – досягнутий плано- У разі застосування ризик-орієнтованого вий рівень емісії ЗР від автотранспорту; 휀푖 – підходу до регулювання якості повітря доціль- визначає вартість сценарію скорочення емісії но виділити блок оцінки та аналізу ризиків [13]. (плану поліпшення якості повітря міської агло- Блок прийняття рішень повинен містити засоби мерації) при заданій кількості t деяких техноло- багатокритеріальної оптимізації стосовно виб- гічних обмежень параметрів: раних цільових функціоналів та вектора пере- t t t ваг користувача [2, 17]. Для аналізу просторо- PPPmin i max ; вих залежностей та візуалізації розподілів по- казників по території необхідна підсистема та обмеженнях нерівностях на допустиму кон- просторового моделювання, для неї ефективно центрацію j-ЗР, j = 1,2., m в кожній і-зоні: h використовувати засоби геоінформаційних сис- i = 1,2,…, n (комірках сіткової області G ): тем. ГІС можна розглядати як частину графіч- Ycjj().Q  ного інтерфейсу користувача. На рис. 1 показа- i доп

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196059 © В. І. Ночвай, 2019

29 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

Рис. 1. Структура потоків даних підсистем СППР–ГІС ІСУЯП Fig. 1. Data flows structure of subsystems of DSS-GIS-information system for air quality management Рівні емісії ЗР є досить поширеними змін- нспорту, велосипедного руху та пішої ходьби. ними прийняття рішень у задачах управління 2. Структурні зміни, що забезпечують од- якістю повітря поряд з іншими, які обирають наковий рівень сервісів і продукції з меншими залежно від характеру цільових функцій [21]: рівнями забруднень. – відсоток скорочення викидів ЗР (за раху- Тут можемо говорити про позитивні тенде- нок очищення або «не виробництва»); нції збільшення кількості електротранспорту. – емісії, рівні викидів ЗР; Міська влада може сприяти процесам шляхом – рівень продуктивності підконтрольного використання електротранспорту для міських джерела викидів; перевезень та в комунальному господарстві [8]. – координати джерел є параметрами управ- 3. Технологічні заходи на «кінці труби», що ління в задачах оптимального розміщення затримують забруднення до їх надходження й міського планування. в довкілля. Заходи цього типу охоплюють нор- У задачах управління якістю повітря можна мування та контроль вмісту токсичних речовин виділити три типові підходи до вибору сценарі- у вихлопних газах. У багатьох країнах світу їв планів дій (w) зниження викидів ЗР [14]: викиди СО, NOx, пилу, летких органічних спо- 1. Зміна поведінки, що знижує антропоген- лук лімітують стандарти, що встановлюють ний тиск, який спричиняє викид ЗР. норми гранично допустимих викидів. Сюди належить регулювання інтенсивності Варіанти контролю викидів для мобільних руху в просторі (регулювання транспортних джерел у моделі RAINS [19] розділено на такі потоків, перекриття центральних вулиць тощо) категорії: і часі (уникнення ранкових заторів шляхом – зміни якості палива, наприклад, зменшен- уведення гнучкого графіку робочого часу). ня вмісту сірки. Зміни у специфікації палива У багатьох містах світу набула поширення можуть надати виробникам двигунів більшу політика сталої мобільності, що зосереджується гнучкість для використання нових технологій на двох основних напрямах [5, 8]: обмеження скорочень викидів; руху машин – вантажівок (виведення їх із міс- – зміни в конструкції двигуна, які призво- та) і легкових автомобілів; розвиток альтерати- дять до кращого контролю над процесами зго- вних способів мобільності – громадського тра- ряння палива;

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196059 © В. І. Ночвай, 2019

30 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

– обробка димових газів після згоряння цьому випадку залежність «джерело – рецеп- з використанням різних типів концепцій улов- тор» зводиться до простого виразу y/x і може лювачів та каталізаторів для перетворення або бути розрахована за допомогою дифузійної мо- захоплення викидів на виході з вихлопної тру- делі M: x → y. би; У такому наближенні розв’язок задачі іден- – кращий огляд та обслуговування: тесту- тифікації емісійних параметрів на заданій сіт- вання на відповідність під час експлуатації, ковій області можна шукати за допомогою век- сервісний огляд та обслуговування, бортові діа- торної релаксації, змінюючи покроково шукані гностичні системи. значення пропорційно впливу джерела на кон- Математична модель прийняття рішень. центрацію ckk Y Q  : Побудова елементів матриці «джерело – рецеп- тор» (МДР) є важливою проміжною ланкою * Qi Q i  m ik ; в розв’язанні оптимізаційних задач мінімізації

негативного впливу ЗР на стан повітряного ба- де  – величина кроку на ітерації, mik – відпо- сейну міста і в розв’язанні задач ідентифікації відний компонент МДР. параметрів джерел ЗР за даними натурних спо- Важливо оцінити ризики підвищеного рівня стережень. Моделі типу «джерело – рецептор» забруднення повітря, який виникає в регіоні під використовують [2, 22, 24] для моделювання час погодних умов, що сприяють цьому. Ме- залежностей та оцінювання чутливості критері- теорологічні параметри ( v ) можуть бути обчи- їв локальних концентрацій ЗР від характерис- слені в метеорологічних моделях із певним тик джерел викидів для заданих метеоумов. Їх ступенем точності, їх вимірюють лише в конк- будують за допомогою чисельних моделей за- ретні часові періоди в окремих точках регіону. бруднення повітря, використовуючи техніку Для кожних атмосферних метеоумов vv прямого й оберненого моделювання процесів s можна оцінити ймовірність їх реалізації за пев- поширення забруднень в атмосфері. ний період часу в регіоні. Особливо складні для моделювання процеси Поставимо умову досягнення безпечної фотохімічної трансформації ЗР в атмосфері концентрації для всіх, навіть несприятливих, [16,18, 24] – у них беруть участь тисячі реакцій погодних умов. З метою мінімізації ризику між сотнями органічних та неорганічних реаге- шкідливого впливу на екологічно чутливі райо- нтів з утвореннями різних шкідливих сполук, ни (дитячі садки, школи) доцільно застосовува- зокрема тропосферного озону. ти гарантовану оцінку критерію для усунення Для нелінійного випадку, що враховує нелі- невизначеності метеоумов в песимістичному нійні хімічні перетворення, МДР визначають емісійному сценарію: частинними похідними yx/ функції чутли- вості концентрації в k-зоні до зміни емісії i- 푌 (푄) = 푚푎푥 푌 (푄, 푞, 푣푠); 푣푠∈푣,푞∈훺 c джерела (комірки): m f  k . Модель може де q – випадковий параметр, який характеризує ik Q i неповноту даних емісії ЗР. бути розрахована для j-ЗР за допомогою фото- Розв’язок задачі багатокритеріальної хімічної дифузійної моделі: оптимізації побудуємо на основі методу зовнішньої точки, для якого штрафні функції M: Qjj   c ; ik запишемо у вигляді: j j j МДР m 1k, m 2 k,. , m nk F Q  f  Q  H  Q  ; Усі інші процеси, що супроводжують атмо- f Q I Q J Q ; сферне перенесення, є лінійними: адвекція, ди-       фузія, конвективне перемішування, сухе й во- або за наявності вектора переваг (p1,p2) логе осадження та хімічні реакції першого по- рядку, із заданою швидкістю перетворень. У f Q  p12 I  Q  p J  Q  ;

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196059 © В. І. Ночвай, 2019

31 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

Наукова новизна та практична HQ  k  j k Q ; k значимість

YQj () У статі запропоновано структуру інформа- ()Q k , ційної системи та модель прийняття рішень для kj с j kдоп управління якістю повітря на основі методів 0,якщоkj ( Q ) 1 багатокритеріальної оптимізації емісійних па- k ()Q , раметрів за допомогою побудови матриці ,якщо kj ( Q )  1 «джерело – рецептор» у сітковій області моде- ()nn( 1) k max 0; k r  kj  , лювання забруднення території міста викидами автотранспорту. де r  0 – деяка константа. Модель може бути застосована на етапі про- Ітераційний алгоритм обчислення ектування муніципальних систем екологічного оптимально знижених сіткових параметрів моніторингу та під час вибору планів поліп- викидів за критеріями витрат I (wi(Q)) на шення якості атмосферного повітря в міських реалізацію планів поліпшення якості повітря та агломераціях. інших цільових критеріїв J (wi(Q)), що можуть бути додатково задані особами, що приймають Висновки рішення, має вигляд: Аналіз даних державної статистики показав 0,QIJn  I   J  посилення впливу пересувних джерел на струк- i QiiQ Qn1  max туру забруднення повітря великих міст. Розгля- i   QQ,,    Qi k 1 n нуто інформаційні технології та оптимізаційні k моделі, що дозволяють оперативно оцінювати Використовуючи елементи МДР, матимемо: вплив автотранспорту, інтенсивності його руху, на якість атмосферного повітря у містах та приймати стратегічні рішення щодо плануван- Qn1 max 0, Qn   I m I   J m J   m i i i i  ik ня заходів її поліпшення. k

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. Баришнікова, О. Є. Статистичне вивчення забруднення атмосферного повітря України антропогенними джерелами / О. Є. Баришнікова // Український соціум. – 2009. – № 1 (28). – С. 87–97. 2. Бейко, І. В. Моделювання та оптимізація параметрів емісійних процесів у повітряному басейні міста / І. В. Бейко, В. І. Ночвай // Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія : Фізико-математичні нау- ки: зб. наук. пр. – Кам’янець-Подільський: Кам'янець-Подільськ. нац. ун-т, 2008. – Вип. 1. – С. 25–32. 3. Беляев, Н. Н. Прогноз загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта с учетом химиче- ских трансформаций веществ и поглощения примеси поверхностью дороги / Н. Н. Беляев, Е. С. Сла- винская, Р. В. Кириченко // Збірник наукових праць НГУ. – 2018. – № 54. – С. 345–353. 4. Беляев, Н. Н. Численные модели для прогноза загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотран- спорта / Н. Н. Беляев, Е. С. Славинская, Р. В. Кириченко // Наука та прогрес транспорту. – 2016. – № 6 (66). – С. 25–32. doi: 10.15802/stp2016/90457 5. Вербицький, І. Як не вмерти від смогу: Київ має змінити транспортну політику [Електронний ресурс] / І. Вербицький // Українська урбаністична платформа MISTOSITE. – 2016. – Режим доступу: https://clck.ru/MCCmb. – Назва з екрана. – Перевірено : 18.11.2019. 6. Дослідження впливу на викиди шкідливих речовин в атмосферне повітря структури парку колісних транспортних засобів України. Проміжний звіт ДП «ДержавтотрансНДІпроект» з НДР. № Державного реєстру НДР – 0112U001736. – Київ, 2015. – 247 с. 7. Коломієць, С. В. Підвищення рівня екологічної безпеки автотранспортних підприємств : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук : спец. 21.06.01 «Екологічна безпека» / Коломієць Сергій Валерійович – Київ, 2019. – 22 с. Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196059 © В. І. Ночвай, 2019

32 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

8. Міська мобільність в Києві: аналітична довідка та рекомендації [Електронний ресурс] // Центр екологі- чних ініціатив «Екодія». – 2016. – Режим доступу: https://cutt.ly/wrJUDnv. – Назва з екрана. – Перевіре- но : 18.11.2019. 9. Ночвай, В. І. Використання ГІС у задачах управління якістю повітря / В. І. Ночвай, Р. В. Криваковська, О. Іщук // Електроніка та інформаційні технології. – 2012. – Вип. 2. – С. 154–163. 10. Порядок здійснення державного моніторингу в галузі охорони атмосферного повітря [Електронний ресурс] : затв. Постановою Кабінету Міністрів України від 14 серпня 2019 р. № 827. – Режим доступу: https://cutt.ly/MrJUNxh. – Назва з екрана. – Перевірено : 18.11.2019. 11. Статистичні дані по галузі автомобільного транспорту [Електронний ресурс] // Міністерство інфра- структури України. – Режим доступу: https://cutt.ly/WrJUMvb. – Назва з екрана. – Перевірено : 18.11.2019. 12. A Framework for Integrated Assessment Modelling / Blond, N., Carnevale, C., Douros, J., Finzi, G., Guariso, G., Janssen, S., … Volta, M. // Air Quality Integrated Assessment. – Springer Briefs in Applied Sciences and Technology. – 2016. – P. 9–35. https://doi.org/10.1007/978-3-319-33349-6_2 13. An optimization-model-based interactive decision support system for regional energy management systems planning under uncertainty / Y. P. Cai, G. H. Huang, Q. G. Lin, X. H. Nie, Q. Tan // Expert Systems with Applications. – 2009. – Vol. 36. – Iss. 2. – Р. 3470–3482. doi: 10.1016/j.eswa.2008.02.036 14. Cost-effective Control of Air Quality and Greenhouse Gases in Europe: Modeling and Policy Applications / Amann, M., Bertok, I., Borken-Kleefeld, J., Cofala, J., Heyes, C., Höglund-Isaksson, L., … Winiwarter, W. // Environmental Modelling & Software. – 2011. – Vol. 26. – Iss. 12. – P. 1489–1501. doi: 10.1016/j.envsoft.2011.07.012 15. Current air quality plans in Europe designed to support air quality management policies / A. Miranda, C. Sil- veira, J. Ferreira, A. Monteiro, D. Lopes, H. Relvas, … P. Roebeling // Atmospheric Pollution Research. – 2015. –Vol. 6. – Iss. 3. – P. 434–443. doi: 10.5094/APR.2015.048 16. Hakami, A. Nonlinearity in atmospheric response: A direct sensitivity analysis approach / A. Hakami, M. T. Odman, A. G. Russell // Journal of Geophysical Research. – 2004. – Vol. 109. – Iss. D15303. – P. 1–12. 17. Makowski, M. Multi-objective Decision Support Including Sensitivity Analysis / M. Makowski // International Institute for Applied Systems Analysis. – Austria, 2001. – P. 1–22. 18. Mallet, V. A comprehensive study of ozone sensitivity with respect to emissions over Europe with a chemistry-transport model / V. Mallet, B. Sportisse // Journal of Geophysical Research. – 2005. – Vol. 110. – Iss. D22302. – P. 1–15. doi: 10.1029/2005JD006234 19. Modeling Particulate Emissions in Europe. A Framework to Estimate Reduction Potential and Control Costs / Z. Klimont, J. Cofala, I. Bertok, M. Amann, C. Heyes, F. Gyarfas // International Institute for Applied Systems Analysis. – 2016. – P. 1–167. 20. Nochvai, V. I. Decision Making Problem Under Uncertainties Relating to Air Quality Management / V. I. Nochvai // NATO Science for Peace and Security. Series C: Environmental Security. – Dordrecht, 2014. – P.105–109 21. Nochvai, V. I. Multi-objective optimization of emission parameters for air pollution models / V. I. Nochvai // // NATO Science for Peace and Security. Series C: Environmental Security. – Dordrecht, 2011. – P. 705–709. 22. Seibert, P. Source-receptor matrix calculation with a Lagrangian particle dispersion model in backward mode / P. Seibert, A. Frank // Atmospheric Chemistry and Physics. – 2004. – Vol. 4. – Iss. 1. – P. 51–63. doi: 10.5194/acp-4-51-2004 23. The use of a modelling system as a tool for air quality management: Annual high-resolution simulations and evaluation / P. Jiménez-Guerrero, O. Jorba, J. M. Baldasano, S. Gassó // Science of the total environment. – 2008. – Vol. 390. – Iss. 2–3. – Р. 323–340. doi: 10.1016/j.scitotenv.2007.10.025 24. Using air quality modeling to study source-receptor relationships between nitrogen oxides emissions and ozone exposures over the United States / D. Q. Tong, N. Z. Muller, H. Kan, R. O. Mendelsohn // Environment International. – 2009. – Vol. 35. – Iss. 8. – P. 1109–1117. doi: 10.1016/j.envint.2009.06.008

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196059 © В. І. Ночвай, 2019

33 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

В. И. НОЧВАЙ1*

1*Научно-исследовательский отдел № 215 «Информатика окружающей среды», Институт проблем математических машин и систем НАН Украины, ул. Академика Глушкова, 42, Киев, Украина, 03187, тел. +38 (066) 758 84 57, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-0288-8675

ФАКТОР ЭМИССИИ ПЕРЕДВИЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ВОЗДУХА БОЛЬШИХ ГОРОДОВ

Цель. Повышение интенсивности движения автотранспорта в крупных городах требует внедрения пла- нов улучшения качества атмосферного воздуха согласно «Порядку осуществления государственного мони- торинга в области охраны атмосферного воздуха». Для разработки и обоснования мероприятий по сниже- нию загрязнения воздуха и негативного воздействия на окружающую среду и здоровье населения в инфор- мационных системах принятия решений необходимо обрабатывать большие массивы имеющейся разнород- ной информации и использовать математические модели принятия решений. Целью работы является разработка математической модели принятия решений для оценки эффективности планов управления каче- ством воздуха в городах с высоким уровнем выбросов передвижных источников загрязнения. Методика. Для класса задач управления качеством воздуха в городах применяют методику построения ма- тематических моделей принятия решений в условиях неопределенности эмиссионных параметров, обуслов- ленных неполными данными о выбросах автотранспорта и их распределении по территории города. Рас- смотрена структура потоков данных в информационной системе в соответствии с требованиями современ- ных систем поддержки принятия экологических решений, во время чего управляющие органы и лица имеют возможность учитывать различные критерии социального и экономического характера. Результаты. Анализ данных государственной статистики показал усиление влияния передвижных источников на структуру за- грязнения воздуха больших городов. Рассмотрены информационные технологии и оптимизационные моде- ли, позволяющие оперативно оценивать влияние автотранспорта и интенсивности его движения на качество атмосферного воздуха в городах и принимать стратегические решения по планированию мероприятий его улучшения. Научная новизна. Предложена структура информационной системы и модель принятия реше- ний для управления качеством воздуха на основе методов многокритериальной оптимизации эмиссионных параметров с помощью построения матрицы «источник – рецептор» в сетевой области моделирования за- грязнения территории города выбросами автотранспорта. Практическая значимость. Модель может быть использована на этапе проектирования муниципальных систем экологического мониторинга и при выборе планов улучшения качества атмосферного воздуха в городских агломерациях. Ключевые слова: загрязнение воздуха автотранспортом; принятие решений; математическое моделиро- вание; управление качеством воздуха в городах

V. І. NOCHVAI1*

1*Research Department No. 215 «Environmental Informatics», Institute of Problems of Mathematical Machines and Systems, National Academy of Sciences of Ukraine, Akademika Hlushkova St., 42, Kyiv, Ukraine, 03187, tel. +38 (066) 758 84 57, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-0288-8675

MOBILE POLLUTION SOURCES EMISSION FACTORS IN THE TASKS OF AIR QUALITY MANAGEMENT OF LARGE CITIES

Purpose. Increasing the traffic intensity in large cities requires the implementation of plans to improve the air quality in accordance with the Procedure for the implementation of state monitoring in the field of atmospheric air protection. To develop and justify the measures to reduce air pollution and negative impact on the environment and public health in decision-making information systems, it is necessary to process large amounts of available hetero- geneous information and use mathematical decision-making models. The paper proposes a mathematical decision- making model for evaluating the effectiveness of air quality management plans in cities with high emissions of mo-

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196059 © В. І. Ночвай, 2019

34 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА bile pollution sources. Methodology. For air quality management problems in cities, a methodology is used for constructing mathematical models of decision-making under emission parameters uncertainty due to incomplete data on vehicles` emissions and their distribution over the city. The structure of data flows in the information system is considered in accordance with the requirements of modern environmental decision support systems, during which the management bodies have the opportunity to take into account different social and economic criteria. Findings. Analysis of national statistics showed an increase in the contribution of mobile sources to the structure of urban air pollution. Information technologies and optimization models are considered that make it possible to quickly assess the impact of vehicles and their traffic on atmospheric air quality in cities and make strategic decisions on planning measures to improve it. Originality. The structure of an information system and a decision-making model for air quality management are proposed based on the multi-criteria optimization of emission parameters using the construction of “source – receptor” matrix in the network area for modelling air pollution of a city’s territory with motor vehicle emissions. Practical value. The model could be used at the stage of designing municipal environmental monitoring systems and developing plans for improving atmospheric air quality in urban agglomerations. Keywords: vehicle air pollution; decision-making; mathematical modelling; air quality management in cities

REFERENCES 1. Barishnіkova, O. E. (2009). Statystychne vyvchennia zabrudnennia atmosfernoho povitria Ukrainy antropo- hennymy dzherelamy. Ukrayinskiy sotsіum, 1(28), 87-97. (in Ukrainian) 2. Beyko, І. V. (2008). Modeliuvannia ta optymizatsiia parametriv emisiinykh protsesiv u povitrianomu baseini mista. Matematichne ta kompyuterne modelyuvannya, 1, 25-32. (in Ukrainian) 3. Belyaev, N. N. Slavinskaya, Ye. S., & Kirichenko, R. V. (2016). Prediction of air pollution in case of traffic emissions with account of admixture transfer and it’s absorbtion by road. Scientific Bulletin of National Min- ing University, 54, 345-353. (in Russian) 4. Biliaiev, M. M., Slavinska, O. S., & Kyrychenko, R. V. (2016). Numerical prediction models for air pollution by motor vehicle emissions. Science and Transport Progress, 6(66), 25-32. doi: 10.15802/stp2016/90457 (in Russian) 5. Verbytskyi, I. (2016). Yak ne vmerty vid smohu: Kyiv maie zminyty transportnu polityku. Ukrayinska ur- banіstichna platforma MISTOSITE. Retrieved from https://clck.ru/MCCmb (in Ukrainian) 6. Doslidzhennia vplyvu na vykydy shkidlyvykh rechovyn v atmosferne povitria struktury parku kolisnykh transportnykh zasobiv Ukrainy. (2015). Kyiv. (in Ukrainian) 7. Kolomiiets, S. V. (2019). Pidvyshchennia rivnia ekolohichnoi bezpeky avtotransportnykh pidpryiemstv. (Avtoreferat dysertatsii kandydata tekhnichnykh nauk). Natsіonalny avіatsіyny unіversytet, Kyiv. (in Ukrainian) 8. Miska mobilnist v Kyievi: analitychna dovidka ta rekomendatsii. (2016). Tsentr ekolohichnykh initsiatyv «Ekodiia». Retrieved from https://cutt.ly/wrJUDnv (in Ukrainian) 9. Nochvai, V. І., Kryvakovska, R. V., & Іshchuk, O. (2012). Use of gis in the problems of air quality management. Elektronіka ta іnformatsіynі tekhnologіi, 2, 154-163. (in Ukrainian) 10. Poriadok zdiisnennia derzhavnoho monitorynhu v haluzi okhorony atmosfernoho povitria. Retrieved from https://cutt.ly/MrJUNxh (in Ukrainian) 11. Statystychni dani po haluzi avtomobilnoho transportu. Mіnіsterstvo іnfrastruktury Ukrayiny. Retrieved from https://cutt.ly/WrJUMvb (in Ukrainian) 12. Blond, N., Carnevale, C., Douros, J., Finzi, G., Guariso, G., Janssen, S., … & Volta, M. (2016). A Framework for Integrated Assessment Modelling. SpringerBriefs in Applied Sciences and Technology, 9-35. doi:10.1007/978-3-319-33349-6_2 (in English) 13. Cai, Y. P., Huang, G. H., Lin, Q. G., Nie, X. H., & Tan, Q. (2009). An optimization-model-based interactive decision support system for regional energy management systems planning under uncertainty. Expert Systems with Applications, 36(2), 3470–3482. doi:10.1016/j.eswa.2008.02.036 (in English) 14. Amann, M., Bertok, I., Borken-Kleefeld, J., Cofala, J., Heyes, C., Höglund-Isaksson, L., … & Winiwarter, W. (2011). Cost-effective control of air quality and greenhouse gases in Europe: Modeling and policy applia- tions. Environmental Modelling & Software, 26(12), 1489-1501. doi:10.1016/j.envsoft.2011.07.012 (in English) 15. Miranda, A., Silveira, C., Ferreira, J., Monteiro, A., Lopes, D., Relvas, H., … & Roebeling, P. (2015). Current air quality plans in Europe designed to support air quality management policies. Atmospheric Pollution Re- search, 6(3), 434-443. doi:10.5094/apr.2015.048 (in English)

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196059 © В. І. Ночвай, 2019

35 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

16. Hakami, A., Odman, M. T., & Russell, A. G. (2004). Nonlinearity in atmospheric response: A direct sensitivity analysis approach. Journal of Geophysical Research, 109(D15), 1-12. doi:10.1029/2003jd004502 (in English) 17. Makowski, M. (2001). Multi-objective Decision Support Including Sensitivity Analysis. International Institute for Applied Systems Analysis. (in English) 18. Mallet, V., & Sportisse, B. (2005). A comprehensive study of ozone sensitivity with respect to emissions over Europe with a chemistry-transport model. Journal of Geophysical Research, 110(D22), 1-15. doi:10.1029/2005jd006234 (in English) 19. Klimont, Z., Cofala, J., Bertok, I., Amann, M., Heyes, C., & Gyarfas, F. (2016). Modeling Particulate Emis- sions in Europe. A Framework to Estimate Reduction Potential and Control Costs. International Institute for Applied Systems Analysis. (in English) 20. Nochvai, V. I. (2014). Decision Making Problem Under Uncertainties Relating to Air Quality Management. NATO Science for Peace and Security. Series C: Environmental Security, 4(2), 105-109. (in English) 21. Nochvai, V. (2011). Multi-objective Optimization of Emission Parameters for Air Pollution Models. NATO Science for Peace and Security. Series C: Environmental Security, 705-709. (in English) 22. Seibert, P., & Frank, A. (2004). Source-receptor matrix calculation with a Lagrangian particle dispersion model in backward mode. Atmospheric Chemistry and Physics, 4(1), 51-63. doi:10.5194/acp-4-51-2004 (in English) 23. Jimenez-Guerrero, P., Jorba, O., Baldasano, J. M., & Gassу, S. (2008). The use of a modelling system as a tool for air quality management: Annual high-resolution simulations and evaluation. Science of the total environment, 390, 323-340. doi: 10.1016/j.scitotenv.2007.10.025 (in English) 24. Tong, D., Muller, N., Kan H., & Mendelsohn, R. (2009). Using air quality modeling to study source-receptor relationships between nitrogen oxides emissions and ozone exposures over the United States. Environment International, 35(8), 1109-1117. doi: 10.1016/j.envint.2009.06.008

Надійшла до редколегії: 19.08.2019 Прийнята до друку: 10.12.2019

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/196059 © В. І. Ночвай, 2019

36 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

УДК 504.5:[628.334.5/.6:519.87]

В. Д. ПЕТРЕНКО1, М. І. НЕТЕСА2, О. Л. ТЮТЬКІН3, О. В. ГРОМОВА4, В. А. КОЗАЧИНА5*

1Каф. «Мости та тунелі», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056) 373 15 53, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-2201-3593 2Каф. «Будівельне виробництво та геодезія», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (067) 195 50 27, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-1730-7642 3Каф. «Мости та тунелі», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056) 373 15 53, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-4921-4758 4Каф. «Архітектурне проектування, землеустрій та будівельні матеріали», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (095) 304 73 33, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-5149-4165 5*Каф. «Гідравліка та водопостачання», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056) 273 15 09, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-6894-5532

МОДЕЛЮВАННЯ ОЧИСТКИ ВОДИ У ВЕРТИКАЛЬНОМУ ВІДСТІЙНИКУ

Мета. Підвищення ефективності роботи очисних споруд у системах водопостачання та водовідведення є важливою технічною задачею. Для аналізу ефективності очищення води конкретної споруди, на етапі про- ектування, потрібно мати спеціальні математичні моделі. Метою роботи є побудова математичних моделей для оцінки ефективності роботи відстійників з додатковими конструктивними елементами, які використо- вують у системах очищення стічних вод. Методика. Процес розповсюдження забруднювача в очисній спо- руді (відстійнику) розраховують за допомогою рівнянь гідродинаміки течії в’язкої, нестисливої рідини. До- датковим рівнянням є рівняння поширення забруднювача у вертикальному відстійнику. Рівняння, що вико- ристовуються для розрахунку вертикального відстійника, враховують найбільш суттєві фізичні фактори, що впливають на ефективність роботи відстійника. Для чисельного інтегрування моделювального рівняння пе- реносу домішки в споруді використовують різницеві схеми розщеплення. Чисельний розв’язок рівняння, що описує процес руху забруднювача у вертикальному відстійнику, базується на розщепленні цього рівняння на рівняння більш спрощеної структури. Для чисельного інтегрування моделювальних рівнянь течії нев’язкої рідини використовують неявні різницеві схеми розчеплення. Чисельний розрахунок здійснюють на прямо- кутній різницевій сітці. Результати. На базі розроблених чисельних моделей створено пакет прикладних програм. Цей пакет дозволяє оперативно, методом обчислювального експерименту, визначати ефективність роботи відстійника. Наведено результати проведеного обчислювального експерименту з визначення ефекти- вності роботи відстійника з двома пластинами. Наукова новизна. Розроблені математичні моделі дають можливість визначити поле швидкості та процес переносу домішки з урахуванням геометричної форми від- стійників та використання в них пластин, що впливають на гідродинаміку потоку в споруді, а значить – на ефективність очищення води. Практична значимість. Час розрахунку одного варіанта завдання на базі по- будованих математичних моделей складає кілька секунд. Моделі можна використовувати для отримання експертної оцінки роботи очисних споруд, які проектуються. Ключові слова: очищення стічних вод; чисельне моделювання; вертикальний відстійник

Вступ тійників, але в системах очищення стічних вод найчастіше вертикальні, у які вода потрапляє Відстійники відіграють дуже суттєву роль після аеротенків. Для оцінки ефективності ро- у системах водопостачання та водовідведення. боти відстійників за різних навантажень, потрі- На практиці використовують різні типи відс- бно мати математичні моделі, що дозволяють Creative Commons Attribution 4.0 International © В. Д. Петренко, М. І. Нетеса, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195294 О. Л. Тютькін, О. В. Громова, В. А. Козачина, 2019

37 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

визначати ступінь очищення забруднених вод від різних споживачів, в тому числі підпри- ємств [1–3, 5, 7–12]. 22      , (2) Для розв’язання задач з оцінки ефективності xy22 роботи очисних споруд використовують різні

математичні моделі, зокрема емпіричні [4, 13] де  – функція потоку; Re = V0L/x – критерій й аналітичні [3, 7–11]. Недоліком цих моделей Рейнольдса; ω = ∂v/∂x – ∂u/∂y – вихор; є неможливість врахування нерівномірного по- u = ∂/∂y, v = –∂/∂x – компоненти вектора току в споруді та її геометричної форми. Тому швидкості водного потоку. Для використання більш ефективними є чисельні моделі [1, 2, 6, рівняння (1) потрібно визначити характерні ве- 14], що дозволяють проводити розрахунки личини V0, L для відстійника. з урахуванням геометричної форми споруд. Постановку граничних умов для системи рі- Проте на їх практичну реалізацію потрібні внянь (1)–(2) розглянуто в праці [2]. у деяких випадках, значні затрати Для загального розуміння запропонованої комп’ютерного часу [14]. математичної моделі, потрібно привести осно- вні апроксимуючі залежності, що створюють Мета основу для чисельного інтегрування рівнянь Зважаючи на викладене, метою цієї статті гідродинаміки. Виконаємо наступні перетво- є побудова математичної моделі для розрахун- рення, щоб перейти до чисельного інтегрування ку гідродинаміки течії та переносу забрудню- рівнянь течії в’язкої рідини: вача у відстійнику, що має складну геометрич- u u u u ну форму. u u  u   ; 22 Методологія              . Дослідження процесу очистки води у відс- 22 тійниках відноситься до задач масопереносу Далі здійснюється наступна апроксимація в областях зі складною геометричною формою. [2]: Для проведення таких досліджень будемо ви- користовувати фундаментальні рівняння гідро-  u    динаміки та переносу забруднюючих речовин.  x  u i1, j  i , j  u i , j  i 1, j  x , x   Модель гідродинаміки. Надважливою зада-  чею під час розрахунку очисних споруд систем u     x  u i1, j  i 1, j  u i , j  i , j   x, водопостачання та водовідведення є визначен- x (3) ня поля швидкості водного потоку. Це             y, пов’язано з тим, що рух домішок у споруді ви- y y i, j 1 i , j i , j i , j 1  значають, переважно конвекцією. Тому для   створення моделей оцінки ефективності роботи           y. очисних споруд розв’язання задачі гідродина- y y i, j 1 i , j 1 i , j i , j  міки постає на першому місці. У роботі будемо використовувати модель рівнянь Нав’є–Стокса. Заміна інших похідних здійснюється так [2]: Моделювальні рівняння мають вигляд [2]: 2   2 LLxx  xx    uv   1  22    x     ; (1) t  x  y Re 22  xx22   , xy  i, j i 1, j  i1, j i , j 

Creative Commons Attribution 4.0 International © В. Д. Петренко, М. І. Нетеса, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195294 О. Л. Тютькін, О. В. Громова, В. А. Козачина, 2019

38 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

2   tt   n 1 LLyy  yy   E  x   y  LLxx  yy    y2 2 2 Re

1 22 n  i, j 1   i , j  yy  i, j 1   i , j   . (4) tt    2 E  x   y  LLxx  yy   . (7) 2 2 Re При практичному використанні різницевих залежностей (4) будуть задіяні як нижній, так На базі залежностей (7) визначається зна- і верхній часовий шар. Для розрахунку будуть чення вихору всередині очисної споруди. При використовуватися наступні різницеві залежно- цьому використовується явна формула розра- сті [2]: хунку. У випадку чисельного інтегрування рівнян- nn1 i,, j   i j ня для функції потоку використовують метод  t ітерацій. Для цього рівняння Пуассона зводимо до вигляду:      x   x   y   y    22    22   , (8)  nn1  1       xy де η – фіктивний час. Функція ψ (x, y, η), 1     LLLLxx  xx  yy  yy   будучи розв’язком нестаціонарного рівняння Re (8), буде розв’язком рівняння Пуассона за η →∞.  nn1  1    (5)     Використовувана різницева схема має ви- або гляд [2]: ll1 ll1    n 1 ij   ij    Et  x x y y    LL    xx xx  2

t    n 1 ll1  LLLLxx  xx  yy  yy       Re LL    , (9) yy yy  2 ij Et 1      n    x x y y  1 ij   ij   i1, j   i , j  1   i  1, j  1 . t 4 1.    LLLL       n (6) Re  xx xx yy yy  Схема розщеплення має вигляд:

Слід відзначити, що за рахунок зміни пара- l 1  4  l   метру ξ можна змінювати порядок точності різ- 2 ницевої схеми, наприклад: за ξ = 1/2 має другий l2 порядок точності за часовою координатою.   4 ELLxx  yy    Далі записуємо різницеву схему розщеплен- 2 ня [2]:  l 1 1  4 ttn ELL xx  yy       2 2 E  x   y  LLxx  yy    2 2 Re l3   4 tt ELLxx  yy        n 2 E  x   y  LLxx  yy   ; 2 2 Re l2   4 ELL xx  yy   2 Creative Commons Attribution 4.0 International © В. Д. Петренко, М. І. Нетеса, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195294 О. Л. Тютькін, О. В. Громова, В. А. Козачина, 2019

39 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

l3  Розроблена комп’ютерна програма була ви- l1  4   (10) 2 користана для визначення розподілу концент- рації забруднювача в вертикальному відстійни- l+2/4 l+3/4 Значення функції потоку ψ , ψ визна- ку, що характеризувався наявністю додаткових чаємо за методом біжучого рахунку на другому пластин, що були встановлені на бокових сто- та третьому кроках розщеплення. ронах очисної споруди. Використання цих до- Компоненти вектора швидкості визначаємо даткових елементів значно ускладнюють про- так: цес математичного моделювання гідродинаміки течії та переносу забруднювача в очисній спо- uy    ;   ij i,1 j ij  ij руді. Розглянута задача відноситься до класу модельних задач, розв’язок яких дозволяє ви-   i1, j   ij  x. значити працездатність розробленої математи- Для формування вигляду розрахункової об- чної моделі. Рис. 1 ілюструє зону забруднення ласті використовуємо маркери. в очисній споруді. Концентрацію забруднювача Модель масопереносу у відстійник. Після наведено у безрозмірному вигляді. розрахунку нерівномірного поля швидкості по- току у відстійнику необхідно розрахувати рух домішки. Для математичного описання перено- су домішки в очисній споруді будемо викорис- товувати рівняння балансу маси [1, 2, 6, 14]: C  uC ()   w C    C  0, (11) t  x  y де С – кількість забруднювача в об’ємі рідини; u, v – швидкість течії по координатам х, у; w – гідравлічна крупність забруднювача; σ – емпі- ричний коефіцієнт, що враховує додаткові про- Рис. 1. Концентрація домішки цеси окислення та ін. в очисній споруді. у вертикальному відстійнику Крайові умови для рівняння (11) розглянуто Fig. 1. Impurity concentration in the vertical settler в [1, 2]. Як бачимо з рис. 1 ефективність очищення Для чисельного інтегрування рівняння (11) води в цій споруді становитиме близько 90 %. використовуємо неявну змінно–трикутна схему Відзначимо, що час розрахунку склав приб- розщеплення [1, 2]. лизно 15 сек. Результати Наукова новизна та практична Для практичного використання розробленої значимість математичної моделі була виконана її програм- Автори розробили чисельну модель, що ба- на реалізація. Розроблено програму, що вклю- зується на рівняннях Нав’є–Стокса та рівнянні чає в себе декілька підпрограм, що вирішують окремі специфічні задачі: переносу домішки у вертикальному відстійни- ку. Побудовані розрахункові залежності дозво- 1. SUBROUTINE EVORZ – визначення зна- чення вихору всередині відстійника; ляють швидко визначати розподіл забруднюва- 2. SUBROUTINE EFUZ – визначення функ- ча у вертикальному відстійнику з урахуванням ції току всередині відстійника; його форми. 3. SUBROUTINE ECOZ – визначення кон- Розроблена методологія розрахунку може центрації забруднювача в очисній споруді; бути використана для експертної оцінки ефек- 4. SUBROUTINE ЕPRZ – презентація поля тивності роботи відстійників, що використову- швидкості та концентрації в очисній споруді. ються в системах каналізації. Creative Commons Attribution 4.0 International © В. Д. Петренко, М. І. Нетеса, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195294 О. Л. Тютькін, О. В. Громова, В. А. Козачина, 2019

40 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

Висновки розрахункові залежності використовують зако- ни збереження для потоку рідини та домішки. У статті розглянуто чисельну модель, що В подальшому цей науковий напрям слід дозволяє оперативно оцінювати ефективність проводити в галузі створення 3D–моделей оці- роботи вертикальних відстійників. Побудовані нки ефективності роботи очисних споруд.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. Беляев, Н. Н. Математическое моделирование массопереноса в отстойниках систем водоотведения / Н. Н. Беляев, Е. К. Нагорная. – Днепропетровск : Новая идеология, 2012. – 112 с. 2. Беляев, Н. Н. Математическое моделирование массопереноса в горизонтальных отстойниках / Н. Н. Беляев, В. А. Козачина. – Днепропетровск : Акцент ПП, 2015. – 115 с. 3. Горносталь, С. А. Аналіз результатів моделювання процесу біологічного очищення стічних вод / С. А. Горносталь, О. А. Петрухов // Науковий вісник будівництва. – ХНУБА, 2014. – № 1. – С. 112–114. 4. ДБН В.2.5-75-2013. Каналізація. Зовнішні мережі та споруди. Основні положення проектування. – Київ : Мінрегіон України, 2013. – 128 с. 5. Епоян, С. М. Особливості роботи пористої полімербетонної перегородки водопровідного горизонталь- ного відстійника і її регенерація / С. М. Епоян, Д. Г. Сухоруков // Науковий вісник будівництва. – Хар- ків : ХНУБА. – 2012. – Вип. 69. – С. 327–331. 6. Козачина, В. А. Моделирование процесса массопреноса в отстойнике при импульсной подаче примеси / В.А. Козачина // Науковий вісник будівництва. – ХНУБА, 2015. – № 1 (79). – С. 162–165. 7. Олійник, О. Я. Моделювання очистки стічних вод від органічних забруднень в біореакторахаеротенках зі зваженим (вільно плаваючим) і закріпленим біоценозом / О. Я. Олійник, Т. С. Айрапетян // Доповіді НАН України. – 2015. – № 5. – С. 55–60. doi: 10.15407/dopovidi2015.05.055 8. Олійник, О. Я. Підвищення ефективності біологічного очищення стічних вод в аеротенках за рахунок зваженого та закріпленого біоценозу / О. Я. Олійник, Т. С. Айрапетян // Науковий вісник будівництва. – Харків : ХНУБА, 2015. – № 3 (81). – С. 106–109. 9. Олійник, О. Я. Підвищення ефективності роботи аеротенків-витискувачів за рахунок завислого і зва- женого біоценозу / О. Я. Олійник, Т. С. Айрапетян // Проблеми водопостачання, водовідведення та гід- равліки : наук.-техн. зб. – Київ, 2016. – Вип. 26. – С. 123–130. 10. Олійник, О. Я. Моделювання і розрахунки біологічної очистки стічних вод на краплинних біофільтрах / О. Я. Олійник, О. А. Колпакова // Екологічна безпека та природокористування : зб. наук.-техн. пр. – Київ, 2014. – Вип. 16. – С. 68–86. 11. Олейник, О. Я. Повышение эффективности роботы аеротенков / О. Я. Олейник, Т. С. Айрапетян // Віс- ник Одеської державної академії будівництва та архітектури. – Одеса : Optimum, 2015. – № 59. – С. 214-222. 12. Олійник, О. Я. Розрахунок кисневого режиму при біологічному очищенні стічних вод в аеротен- кахзмішувачах з закріпленим і зваженим біоценозом / О. Я. Олейник, Т. С. Айрапетян // Науковий віс- ник будівництва. – Харків : ХНУБА, 2018. – № 4 (98). – С. 187–191. 13. Реконструкція і інтенсифікація споруд водопостачання та водовідведення: навч. посіб. / О. А. Василен- ко, П. О. Грабовський, Г. М. Ларкін та ін. – К.: ІВНВКП «Укргеліотек», 2010. – 272 с. 14. Griborio, A. Secondary Clarifier Modeling: A Multi-Process Approach / A. Griborio // Dissertation and The- ses (for the degree of Doctor of Philosophy in The Engineering and Applied Sciences Program). – University of New Orleans : USA, 2004. – 440 p.

41 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

В. Д. ПЕТРЕНКО1, Н. И. НЕТЕСА2, А. Л. ТЮТЬКІН3, Е. В. ГРОМОВА4, В. А. КОЗАЧИНА5*

1Каф. «Мосты и туннели», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 53, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-2201-3593 2Каф. «Строительное производство и геодезия», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (067) 195 50 27, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-1730-7642 3Каф. «Мосты и туннели», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 53, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-4921-4758 4Каф. «Архитектурное проектирование, землеустройство и строительные материалы», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (095) 304 73 33, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-5149-4165 5*Каф. «Гидравлика и водоснабжение», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 273 15 09, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-6894-5532

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОЧИСТКИ ВОДЫ В ВЕРТИКАЛЬНОМ ОТСТОЙНИКЕ

Цель. Повышение эффективности работы очистных сооружений в системах водоснабжения и водоотведения является важной технической задачей. Для анализа эффективности очистки воды конкрет- ного сооружения, на этапе проектирования, нужно иметь специальные математические модели. Целью рабо- ты является построение математических моделей для оценки эффективности работы отстойников с дополнительными конструктивными элементами, которые используют в системах очистки сточных вод. Методика. Процесс распространения загрязнителя в очистном сооружении (отстойнике) рассчитывают с помощью уравнений гидродинамики течения вязкой, несжимаемой жидкости. Дополнительным уравнени- ем является уравнение распространения загрязнителя в вертикальном отстойнике. Уравнения, используемые для расчета вертикального отстойника, учитывают наиболее существенные физические факторы, влияющие на эффективность работы отстойника. Для численного интегрирования моделирующего уравнения переноса примеси в сооружении используют разностные схемы расщепления. Численное решение уравнения, описы- вающего процесс движения загрязнителя в вертикальном отстойнике, базируется на расщеплении этого уравнения в уравнение более упрощенной структуры. Для численного интегрирования моделирующих уравнений течения невязкой жидкости используют неявные разностные схемы расщепления. Численный расчет совершают на прямоугольной разностной сетке. Результаты. На базе разработанных численных моделей создан пакет прикладных программ. Этот пакет позволяет оперативно, методом вычислительного эксперимента, определить эффективность работы отстойника. Приведены результаты проведенного вычислительного эксперимента по определению эффективности работы отстойника с двумя пластинами. Научная новизна. Разработанные математические модели дают возможность определять поле скорости и процесс переноса примеси с учетом геометрической формы отстойника и использования в них пластин, которые влияют на гидродинамику потока в сооружении, а значит – на эффективность очистки воды. Практическая значимость. Время расчета одного варианта задания на базе построенных математических моделей составляет несколько секунд. Модели можно использовать для получения экспертной оценки рабо- ты очистных сооружений, которые проектируются. Ключевые слова: очистка сточных вод; численное моделирование; вертикальный отстойник

42 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

V. D. PETRENKO1, M. I. NETESA2, O. L. TIUTKIN3, O. V. GROMOVA4, V. А. KOZACHYNA5*

1Dep. «Bridges and Tunnels», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 53, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-2201-3593 2Dep. «Build Production and Geodesy», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (067) 195 50 27, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-1730-7642 3Dep. «Bridges and Tunnels», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 53, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-4921-4758 4Dep. «Architectural Design, Land Organization and Construction Materials», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (095) 304 73 33, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-5149-4165 5*Dep. «Hydraulics and Water Supply», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 273 15 09, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-6894-5532

MODELING OF WASTE WATER TREATMENT IN VERTICAL SETTLER

Purpose. Increasing the effectiveness of water treatment plants is an urgent technical problem. To obtain the efficiency analysis of certain facility of water treatment plant, at the design stage, it is necessary to have special mathematical models. In the paper, the development of mathematical models for assessing the performance of vertical settler having additional structural elements and used in wastewater treatment systems is considered. Methodology. The pollutant distribution in the settler has been computed using the hydrodynamics equation for the viscous incompressible fluid. Additional equation is the equation for the spread of contaminants in a vertical settler. The equations used to calculate the vertical settler take into account the most significant physical factors affecting efficiency of the settler. For numerical integration of the modeling impurity transfer equation in the water treatment plant, difference splitting schemes are used. The numerical solution of the equation describing the process of pollutant movement in a vertical settler is based on splitting this equation into the equation of a more simplified structure. For numerical integration of the modeling equations of the inviscid fluid flow, implicit difference splitting schemes are used. Numerical calculation is performed on a rectangular difference grid. Findings. On the basis of the developed numerical models, a package of application programs was created. This package allows quick determining the settler efficiency using a computational experiment. The results of a computational experiment to determine the efficiency of the settler with two plates are presented. Originality. The developed mathematical models make it possible to determine the velocity field and the impurity transfer process, taking into account the geometric shape of the settler and the use of plates, which affect the flow hydrodynamics in the water treatment plant, and therefore the efficiency of water treatment. Practical value. The calculation time for one version of the task based on the constructed mathematical models is several seconds. The models can be used to obtain an expert assessment of the operation of water treatment plants that are being designed. Keywords: wastewater treatment; numerical simulation; vertical settler

REFERENCES 1. Biliaiev, N. N., & Nagornaya, E. K. (2012). Matematicheskoye modelirovaniye massoperenosa v otstoynikakh sistem vodootvedeniya. Dnepropetrovsk: Novaya ideologiya. (in Russian) 2. Biliaiev, N. N., & Kozachina, V. A. (2015). Modelirovaniye massoperenosa v gorizontalnykh otstoynikakh: Monografiya. Dnepropetrovsk: Aktsent PP. (in Russian) 3. Gornostal, S. A., & Petrukhov, O. A. (2014). Analysis of simulation results of biological wastewater treatment process. Scientific Bulletin of Construction, 1, 112-114. (in Ukrainian) 4. Kanalizatsiia. Zovnishni merezhi ta sporudy. Osnovni polozhennia proektuvannia, 128 DBN V.2.5-75-2013 (2013). (in Ukrainian)

43 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА

5. Epoian, S. M., & Sukhorukov, D. G. (2012). Osoblyvosti roboty porystoi polimerbetonnoi perehorodky vodoprovidnoho horyzontalnoho vidstiinyka i yii reheneratsiia. Scientific Bulletin of Construction, 69, 327- 331. (in Ukrainian) 6. Kozachina, V. A. (2015). Modeling of the mass transfer process in a sump during impulse supply of impuri- ties. Scientific Bulletin of Construction, 1(79), 162-165. (in Russian) 7. Oleynik, A. Y., & Kolpakova, O. A. (2014). Modelling and calculation of bioiligical wastewater treatment to trickling biofilters. Environmental safety and natural resources, 16, 68-86. (in Ukrainian) 8. Oleynik, A. Y., & Airapetyan, T. S. (2015). The modeling of the clearance of waste waters from organic pollu- tions in bioreactors-aerotanks with suspended (free flow) and fixed biocenoses. Reports of the National Acad- emy of Sciences of Ukraine, 5, 55-60. doi: 10.15407/dopovidi2015.05.055 (in Ukrainian) 9. Oliinyk, O. Ya. & Airapetian, T. S. (2015). Pidvyshchennia efektyvnosti biolohichnoho ochyshchennia stichnykh vod v aerotenkakh za rakhunok zvazhenoho ta zakriplenoho biotsenozu. Scientific Bulletin of Construction, 3(81), 106-109. (in Ukrainian) 10. Oliinyk, O. Ya, & Airapetyan, T. S. (2016). Pidvyshchennia efektyvnosti roboty aerotenkiv-vytyskuvachiv za rakhunok zavysloho i zvazhenoho biotsenozu. Problemy vodopostachannia, vodovidvedennia ta hidravliky, 26, 123-130. (in Ukrainian) 11. Oliinyk O. Ya., & Airapetian T. S. (2015). Povyshenie effektivnosti roboty aerotenkov. Visnyk Odeskoi derzhavnoi akademii budivnytstva ta arkhitektury, 59, 214-222. 12. Oliinyk, O. Ya. & Airapetian, T. S. Rozrakhunok kysnevoho regymu pry biolohichnomu ochyschenni stichnykh vod v aerotenkakh-zmishuvachakh z zakriplenym I zvagenym biotsenozom. Scientific Bulletin of Construction, 4(98), 187-191. (in Ukrainian) 13. Vasylenko, O. A., Hrabovskyi, P. O., Larkin, H. M., & others. (2010). Rekonstruktsiia i intensyfikatsiia sporud vodopostachannia ta vodovidvedennia: navch.posib. K.: IVNVKP «Ukrheliotek». (in Ukrainian) 14. Griborio, A. (2004). Secondary Clarifier Modeling: A Multi-Process Approach. Dissertation and Theses. USA, University of New Orleans Publ. (in English)

Надійшла до редколегії: 30.07.2019 Прийнята до друку: 02.12.2019

44 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. ВісникДніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ ТРАНСПОРТУ

УДК 629.42.083

Б. Є. БОДНАР1, О. Б. ОЧКАСОВ2*, Т. С. ГРИШЕЧКІНА3, Є. Б. БОДНАР4

1Каф. «Локомотиви», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056) 733 19 01, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-3591-4772 2*Каф. «Локомотиви», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056) 733 19 61, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-7719-7214 3Каф. «Вища математика», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (0562) 36 26 04, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-1570-4150 4Каф. «Локомотиви», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056) 733 19 61, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0001-6040-913Х

ОЦІНКА РОБОТИ ЛОКОМОТИВНОГО ПАРКУ З ВИКОРИСТАННЯМ МЕТОДІВ ЗМЕНШЕННЯ РОЗМІРНОСТІ

Мета. Основною метою роботи є скорочення часу на проведення аналізу та підвищення ефективності обробки статистичної інформації щодо оцінки роботи локомотивного парку за рахунок використання мето- дів зниження розмірності даних. Методика. Для проведення дослідження обрано методику побудови індек- са довільного процесу. Використання цієї методики дозволяє виділити із загальної множини параметрів ті складові, які є найбільш інформативними. За допомогою методу аналізу ієрархій на базі отриманих голов- них компонент можна побудувати єдиний узагальнюючий показник. Результати. Виконано аналіз підходів до удосконалення сучасної системи показників обліку роботи локомотивів. Обґрунтовано доцільність вико- ристання методів зниження розмірності для аналізу показників роботи локомотивів. За допомогою методу головних компонент визначено найбільш інформативні показники роботи локомотивів і ступінь їх впливу на загальний рівень безпеки руху в локомотивному господарстві, виконання системи утримання. Наведено приклади аналізу показників локомотивного господарства з використанням запропонованої методики, інде- кса виконання системи утримання, індексів безпеки та експлуатаційної безпеки руху в локомотивному гос- подарстві. Виконано аналіз роботи локомотивного господарства за допомогою спільного розгляду запропо- нованих інтегральних індексів, а також кількісних і якісних показників використання локомотивів. Наявність різниці між значеннями цих показників свідчить про погіршення або поліпшення стану безпеки руху з ураху- ванням обсягів виконаної роботи. Перевищення значення коефіцієнта експлуатаційної безпеки руху над індек- сом безпеки свідчить про погіршення стану безпеки руху, попри зменшення абсолютних значень показників, які характеризують рівень безпеки руху в локомотивному господарстві. Наукова новизна. У роботі вперше запропоновано оцінювати стан безпеки руху в локомотивному господарстві за допомогою різниці індексів безпеки руху та експлуатаційної безпеки. Практична значимість. Для аналізу роботи локомотивного парку доцільно використовувати методи зменшення розмірності даних. Для оцінки стану безпеки руху більш доці- льно використовувати індекс експлуатаційної безпеки, оскільки він враховує об'ємні показники роботи ло- комотивного господарства. Ключові слова: показники використання локомотивів; зменшення розмірності даних, метод головних компонент; метод аналізу ієрархій; індекс процесу; система утримання локомотивів; індекси безпеки руху

Creative Commons Attribution 4.0 International © Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195762 Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар, 2019

45 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. ВісникДніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ ТРАНСПОРТУ

Вступ Для вибору найбільш відповідної методоло- гії необхідно враховувати специфіку звітів Під час розв’язання задач інтелектуального у локомотивному господарстві. Локомотивне аналізу даних у різних прикладних галузях час- господарство – це складна організаційно- то доводиться працювати з великими масивами технічна система, завданням якої є виконання інформації або вибірками великого обсягу. Це заданого обсягу перевезень із дотриманням ви- вимагає істотних витрат часу на обробку даних, мог безпеки та економічної ефективності. До а також потребує наявності значних обсягів об- функцій локомотивного господарства належать числювальних ресурсів. Тому актуальною зада- експлуатаційна робота, ремонт рухомого скла- чею під час проведення аналізу є скорочення ду, дотриманням безпеки руху, планування те- розмірності вибірок даних [17]. хнічного й організаційного забезпечень. Аналіз Для розв’язання цієї задачі використовують роботи парку локомотивів виконують на основі два види методів. Перший вид – методи відбору десятків різноманітних понять і показників інформативних ознак, у яких із вихідного набо- (рис. 1). Для оцінки ефективності роботи локо- ру даних видаляються найменш інформативні мотивного господарства використовують сис- ознаки. Другий вид – методи конструювання тему кількісних та якісних показників (рис. 1) ознак, у яких їх вихідний набір замінюють но- [2]. вим набором ознак, меншого розміру, що роз- рахований на основі вихідних даних.

Рис. 1. Сучасна система показників роботи локомотивного господарства Fig. 1. Modern system of indicators of locomotive economy Для характеристики роботи тягового рухо- пейської класифікації використовують стандарт мого складу показники об’єднують у групи. RAMS (Reliability, Availability, Maintainability Для аналізу рівня безпеки та надійності техніч- and Safety). Згідно з цим стандартом показники них об’єктів (локомотивів) відповідно до євро- об’єднано в групи, які характеризують надій- Creative Commons Attribution 4.0 International © Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195762 Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар, 2019

46 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. ВісникДніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ ТРАНСПОРТУ

ність, готовність, ремонтопридатність та безпе- матичної статистики та ощадливого виробниц- ку [21]. тва в управлінні локомотивним господарством. Наприклад, у [5] наведено 70 понять і пока- Автор виконав багатофакторний аналіз інфор- зників використання локомотивів, які мативності даних про технічний стан та екс- об’єднано в 4 групи – технічного обслугову- плуатацію тягового рухомого складу, запропо- вання, напрацювання й терміну служби, готов- нував поняття «вага інциденту» з метою враху- ності й використання локомотивів. вання впливу кожного з інцидентів на техніч- Розвиток інформаційних систем управління ний стан локомотивів. Під час виконання локомотивним господарством, які складаються аналізу вплив факторів на технічний стан ло- з автоматизованих робочих місць (АРМ) за різ- комотивів оцінюють за коефіцієнтом кореляції. номанітними напрямами роботи, призводить до У роботі [19] виконано статистичний аналіз збільшення номенклатури показників, що знач- даних про експлуатацію локомотивів, обґрун- но ускладнює процес аналізу. товано порядок використання цих даних у мо- Аналіз показників роботи є складовою части- делі системи моніторингу їх технічного стану. ною процесу управління локомотивним госпо- У більшості розглянутих робіт автори вико- дарством. Питанням удосконалення оперативно- ристали методи класичного кореляційного та го управління локомотивним парком присвячено регресійного аналізу. При цьому в модель роботу [14], а підвищення безпеки, надійності, включали максимально можливу кількість фак- ефективності технологічних та експлуатаційних торів. Ці фактори часто характеризувалися зна- процесів локомотивного господарства за рахунок чною корельованістю (мультилінеарністю). упровадження інтелектуальних систем наведено Прогноз за змінними з такими характеристика- в роботах [3, 5–10, 13, 19, 20, 22, 23, 25]. Підви- ми, як правило, буває не достатньо точним. щення ефективності управління локомотивним Таким чином, значна кількість показників як парком може бути досягнуто за рахунок упрова- вихідних даних ускладнює оцінку загального дження аналітичних та інформаційних систем, рівня організації роботи в локомотивному гос- що сприятиме скороченню часу на прийняття подарстві, наявна статистична інформація являє управлінських рішень, поліпшенню процесів собою величезний обсяг даних, який досить планування. Упровадження інформаційних сис- складно аналізувати. тем вимагає формалізації процесів прийняття У зв’язку з цим виникає задача заміни вхід- рішень, створення алгоритмів аналізу та обробки них взаємопов’язаних змінних (показників) на інформації. Виконання аналізу показників робо- сукупність некорельованих параметрів із метою ти локомотивного господарства вимагає викори- формалізації аналізу та зменшення часу на його стання системного підходу, сучасних методів проведення. Для розв’язку цієї задачі необхідно аналізу великих обсягів даних із метою швидко- розробити методику визначення загального по- го отримання результатів. Також необхідно за- казника (або групи показників), який характе- безпечити доступність сприйняття й інтерпрета- ризує рівень організації роботи локомотивного ції результатів аналізу. Потрібно розуміти, що господарства. спроби вдосконалити процес аналізу показників У такому випадку доцільно застосовувати роботи локомотивного господарства шляхом методи редукції даних, які засновані саме на за- уведення нових додаткових показників (які част- міні великої кількості вихідних взаємо- ково дублюють або мають високу кореляцію пов’язаних параметрів на меншу кількість но- з уже наявними) призведуть до створення ще вих, побудованих на їх основі і не пов’язаних більших масивів даних, аналіз яких стандартни- між собою. Поставлену задачу можна розв’язати ми методами буде складним. за допомогою методів зниження розмірності да- Із метою підвищення надійності й ефектив- них. Як робочі були обрані методи головних ності тягового рухомого складу, попередження компонент (РСА, principal component analysis) прийняття помилкових рішень у разі викорис- і метод аналізу ієрархій. Використання цих ме- тання сервісної системи технічного обслугову- тодів дозволяє визначити індекс розвитку «дові- вання й ремонту в роботі [17] запропоновано льного процесу». Математичне обґрунтування впровадження методів теорії імовірності, мате- побудови індексу процесу наведено в роботі [4]. Creative Commons Attribution 4.0 International © Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195762 Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар, 2019

47 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. ВісникДніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ ТРАНСПОРТУ

Популярність МГК викликана його здатніс- меншої розмірності Gg N , gR d . Тут тю до зменшення розмірності (редукції) даних n n1 n із мінімальними втратами інформації. Мета ме- dD . У деяких випадках d може співпадати тоду головних компонент – виділити із загаль- з D . ної множини параметрів складові, які є най- На рис. 2.1. і 2.2 наведено графічну ілюст- більш інформативними. Це виконують шляхом рацію роботи методу головних компонент. Оп- лінійних перетворень вхідних змінних до но- тимальна пряма визначається власним векто- вих, нормованих і некорельованих між собою. ром матриці вихідних даних, який відповідає найбільшому власному значенню max [15]. Мета На рис. 2.1 показана вихідна вибірка у дво- мірному просторі (вхідні параметри x1 та x2 ) Основною метою роботи є скорочення часу на проведення аналізу та підвищення ефективно- разом із напрямком, обумовленим власними сті обробки статистичної інформації щодо оцінки векторами вибіркової матриці кореляції. На рис. 2.2 показаний перехід до некорельованих роботи локомотивного парку за рахунок викори- стання методів зниження розмірності даних. ознак у редукованому просторі (головні компо- ненти z1 та z2 ). Характеристикою розкиду Методика даних в одновимірному просторі є вибіркова дисперсія. Нехай є деяка вибірка об’єктів Xx N , n n1 D xRn  . Задача зменшення розмірності поля- гає в отриманні подання цієї вибірки у просторі

Рис.2.1. Приклад вхідної вибірки Рис. 2.2. Головні компоненти Figure 2.1. An example of an input sample Fig. 2.2. The main components Якщо розглядати n-вимірний простір, то пі- Таким чином, ми визначаємо головні ком- сля знаходження лінії, для якої дисперсія мак- поненти послідовно, одну за одною. Кожну на- симальна, біля неї залишається деякий розкид ступну головну компоненту визначають так, даних. Тому після того, як перша головна ком- щоб максимізувати інформативність, що зали- понента визначена, визначають наступну лінію, шилася від попередніх головних компонент, яка максимізує остаточну варіацію (розкид да- тому головні компоненти виявляються незале- них навколо першої прямої), і т. д. жними одна від одної (некорельованими, орто- гональними).

Creative Commons Attribution 4.0 International © Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195762 Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар, 2019

48 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. ВісникДніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ ТРАНСПОРТУ

Алгоритм побудови індекса процесу полягає Результати в таких кроках [4, 12, 18, 24]: Запропоновану методику було використано 1. На першому кроці використовують метод для визначення таких індексів [12, 18, 24]: головних компонент, щоб виділити із загальної – індекс якості системи утримання локомо- множини параметрів складові, які є найбільш тивного парку; інформативними. Для цього виконують наступ- – індекс оцінки стану безпеки руху локомо- ні дії: тивного парку; – нормування вихідних даних, – індекс ефективності експлуатації локомо- – знаходження кореляційної матриці r; тивного парку. – знаходження власних чисел і власних век- Для отримання цих індексів виконано обро- торів матриці r; бку статистичних звітів Укрзалізниці за різни- – сортування власних векторів і власних чи- ми показниками роботи локомотивних госпо- сел за спаданням. дарств. 2. На другому кроці застосовують метод Під час визначення індекса якості системи аналізу ієрархій [16]. За допомогою цього ме- утримання [12] використано статистичні дані тоду на підставі отриманих головних компо- про виконання ремонтів локомотивів. Основ- нент будують єдиний узагальнюючий показник ними параметрами системи утримання локомо- (індекс), який дозволить проводити оцінку різ- тивного парку залізниці є міжремонтні пробіги, них аспектів роботи локомотивного парку. кількість і види (обсяги) планових ремонтів. Алгоритм знаходження єдиного узагальню- після виконання спільного аналізу цих показ- ючого показника методом аналізу ієрархій по- ників (кількість планових деповських ремонтів лягає у виконанні таких дій: – ТО3, ПР1, ПР2, ПР3; простої на планових ре- – побудова матриці попарних порівнянь, де монтах; кількість і простої на позапланових кількість стовбців відповідає кількості голов- ремонтах; вантажообіг брутто; відсоток не- них компонент; справних локомотивів) отримано єдиний узага- – визначення ваг компонент; льнюючий показник – індекс якості системи – визначення відносних значень ваг; утримання локомотивів. – визначення єдиного узагальнюючого по- Застосування цієї методики дозволило спо- казника. чатку скоротити кількість параметрів на 2/3 (із Поєднання методів головних компонент та 12 вихідних показників перейшли до 4 голов- аналізу ієрархій дозволяє отримати індекс про- них компонент). При цьому було збережено І цесу (1) як деяку функцію вихідних парамет- 87 % значимої вихідної інформації. Далі мето- рів цих методів [4]: дом аналізу ієрархій 4 головні компоненти було k згорнуто до єдиного інтегрального показника – І wii g , (1) індекса якості системи утримання локомотивів i1 депо (рис. 3.). де w – відносна вага головної компоненти; g Цей показник може бути корисний під час i i проведення аналізу роботи ремонтної служби, – значення параметра, який входить до складу а також роботи парку тягового рухомого складу головної компоненти. залізниці. Використання запропонованого підходу до- Для визначення наступного показника – ін- зволяє перейти від аналізу абсолютних значень декса оцінки стану безпеки руху локомотивно- показників до більш точних та об’єктивних го парку – було зібрано статистичну звітність оцінок, при цьому автоматичне визначення ва- щодо динаміки за 33 показниками – це показ- ги компоненти виключає суб’єктивізм експер- ники транспортних подій, причин транспорт- тів. них подій та несправностей основного облад- нання тягового рухомого складу [18].

Creative Commons Attribution 4.0 International © Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195762 Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар, 2019

49 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. ВісникДніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ ТРАНСПОРТУ

Рис. 3. Зміна індекса якості системи утримання локомотивів у депо за роками Fig. 3. Changing the quality index of the locomotive maintenance system in the depot by years Попередній аналіз показав, що статистичні сті системи їх утримання. Коефіцієнт взаємної дані про аварійність на залізничному транспор- кореляції наведених величин становить 0,82. Як ті перевантажені абсолютними показниками, видно з рисунка, незважаючи на зниження се- які мають тенденцію до зниження (рис. 4), але редньодобового парку локомотивів значення не дозволяють зробити об’єктивних висновків індекса якості системи їх утримання зменшу- щодо стану безпеки руху. Коефіцієнт кореляції ється. Це свідчить про зниження якості прове- між цими величинами становить 87 %. дення деповських ремонтів, збільшення кілько- На рис. 5 наведена динаміка зміни серед- сті позапланових ремонтів, простоїв локомоти- ньодобового парку локомотивів та індекса яко- вів у позапланових ремонтах та ін.

Рис. 4. Середньодобовий парк локомотивів і кількість транспортних подій у локомотивному господарстві Fig. 4. The average daily locomotive fleet and the number of traffic accidents in locomotive economy

Creative Commons Attribution 4.0 International © Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195762 Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар, 2019

50 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. ВісникДніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ ТРАНСПОРТУ

Рис. 5. Середньодобовий парк локомотивів та індекс виконання системи утримання Fig. 5. Average daily locomotive fleet and performance index of the maintenance system У роботі [18] для оцінки стану безпеки руху Найбільш вагомими є перші три головні в локомотивному господарстві методом голов- компоненти, їх структура наведена на рис 6. них компонент 33 початкові показники, згорну- Разом вони містять у собі 58,3 % вихідної інфо- то до 8 головних компонент. При цьому було рмації. Кожна компонента має у структурі без- збережено 89 % вихідної інформації. пекову й технічну складові. Перша компонента Як вхідні змінні використано такі показни- показує, що безпеку руху в локомотивному го- ки: транспортні події (5 показників); причини сподарстві найбільш інформативно описано транспортних подій (5 показників); несправно- значенням такого показника, як незадовільний сті основного обладнання тягового рухомого деповський ремонт. До складу технічної скла- складу (23 показники). дової увійшли гальмівне обладнання та елект- ричні кола управління.

Рис. 6. Структура головних компонент під час аналізу безпеки руху в локомотивному господарстві Fig. 6. Structure of the main components during the traffic safety analysis in locomotive economy Creative Commons Attribution 4.0 International © Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195762 Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар, 2019

51 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. ВісникДніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ ТРАНСПОРТУ

Методом аналізу ієрархій дані 8 показників Оскільки вихідні показники враховують кі-

були об’єднані в єдиний показник – індекс Iбр , лькість транспортних подій, віднесених на оди- ницю роботи або чисельність персоналу, то ін- який характеризує стан безпеки руху в локомо- тивному господарстві. декс експлуатаційної безпеки I 'бр за своїм зміс- Запропонований індекс враховує весь обсяг том є питомим показником. статистичної інформації щодо стану безпеки Досить зручно й інформативно проводити руху, також одночасно дозволяє визначити сту- аналіз із використанням саме відносних показ- пінь впливу кожного з показників на загальний ників, ураховуючи обсяги перевезень. Отрима- індекс безпеки руху. Зростання значень індекса ний інтегральний показник дозволяє проаналі- свідчить про погіршення стану безпеки в локо- зувати стан експлуатаційної безпеки в локомо- мотивному господарстві. I , навпаки, зменшен- тивному господарстві (рис. 8). ня значень індекса показує загальне поліпшен- Для наочності на рис. 5, 7, 8 наведені зна- ня стану безпеки руху (рис. 7). чення середньодобового парку локомотивів. Наступний індекс – індекс ефективності Порівняння запропонованих індексів наведено експлуатації локомотивного парку – є логічним на рис. 9 і 10. На рис. 9 значення середньодобо- розвитком підходу до визначення індекса стану вого парку локомотивів наведено у зменшено- безпеки руху в локомотивному господарстві. му масштабі. Як бачимо з ілюстрацій, на розг- Цей показник використовує у своїй структурі лянутому інтервалі часу відбулось скорочення відносні показники, що враховують обсяги ви- середньодобового парку локомотивів. Запропо- конаної роботи і стан безпеки руху. Кожен із новані індекси оцінки роботи локомотивного вихідних показників визначають як відношення господарства можуть бути використані для спі- безпекової складової до кількісних або якісних льного аналізу з іншими показниками роботи показників використання локомотивів [24]. локомотивів.

Рис. 7. Зміна індекса стану безпеки руху в локомотивному господарстві за роками Fig. 7. Changes in the index of traffic safety in locomotive economy by years

Creative Commons Attribution 4.0 International © Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195762 Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар, 2019

52 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. ВісникДніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ ТРАНСПОРТУ

Рис. 8. Зміна індекса стану експлуатаційної безпеки руху в локомотивному господарстві за роками Fig. 8. Change in the index of operational traffic safety in locomotive economy by years

На рис. 10 наведено приклад спільного ви- плуатаційної безпеки руху I 'бр для аналізу ро- користання індексів безпеки руху Iбр та екс- боти локомотивного господарства.

Рис. 9. Порівняння індексів стану безпеки руху та експлуатаційної безпеки Fig. 9. Comparison of traffic safety and operational safety indexes Creative Commons Attribution 4.0 International © Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195762 Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар, 2019

53 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. ВісникДніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ ТРАНСПОРТУ

Рис. 10. Порівняння інтегральних показників, які характеризують роботу локомотивного господарства Fig. 10. Comparison of integral indicators characterizing the operation of locomotive economy Наявність різниці між значеннями показни- даних для аналізу роботи локомотивного парку. ків стану безпеки руху та експлуатаційної без- Для оцінки стану безпеки руху більш доціль- пеки характеризує стан безпеки руху з ураху- ним є використання індекса експлуатаційної ванням обсягів виконаної роботи. Перевищення безпеки, оскільки він враховує об’ємні показ- значення індекса експлуатаційної безпеки руху ники роботи локомотивного господарства. над індексом безпеки руху свідчить про погір- шення стану безпеки руху попри зменшення Висновки абсолютних значень показників, які характери- Застосування методів зниження розмірності зують рівень безпеки руху в локомотивному для оцінки роботи локомотивного парку дає господарстві. змогу виявляти фактори, які найбільше впли- вають на такі аспекти господарства, як: стан Наукова новизна та практична безпеки руху, якість виконання системи утри- значимість мання. У роботі виконано аналіз показників Наукова новизна роботи полягає в тому, що технічної та безпекової складової експлуатації в ній у перше запропоновано оцінювати стан локомотивів за ступенем їх впливу на загальні безпеки руху в локомотивному господарстві за індекси безпеки руху. Визначено вузли локомо- допомогою різниці індексів безпеки руху та тивів, які найбільше впливають на стан безпеки експлуатаційної безпеки. Запропонована мето- руху та надійність. З’ясовано, що інформатив- дика дозволяє виключити з аналізу дублюючі ність аналізу показників використання локомо- показники та позбутися мультиколінеарності. тивів і стану безпеки руху підвищується у ви- Наведені приклади демонструють доцільність падку спільного аналізу запропонованих інтег- використання методів зменшення розмірності ральних показників (індексів).

Creative Commons Attribution 4.0 International © Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195762 Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар, 2019

54 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. ВісникДніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ ТРАНСПОРТУ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. Аболмасов, А. А. Управление техническим состоянием тягового подвижного состава в условиях серви- сного обслуживания : дис. … канд. техн. наук : 05.22.07 / Аболмасов Алексей Александрович ; МГУПС (МИИТ). – Москва, 2017. – 180 с. 2. Айзинбуд, C. Я. Эксплуатация локомотивов / C. Я.Айзинбуд, П. И. Кальперис. – 2-е изд. перераб. и доп. – Москва : Транспорт, 1990. – 261 с. 3. Боднарь, Б. E. Применение структурного моделирования для исследования работы предприятия желез- нодорожного транспорта. Математичне моделювання в інженерних і фінансово-економічних задачах / Б. E. Боднарь, А. И. Мосендз // Зб. наук. пр. (ДІІТ). – Дніпропетровськ, «Січ», 1998. – С. 106–116. 4. Босов, А. А. Построение индекса произвольного процесса / А. А. Босов, П. А. Лоза // Технические нау- ки – от теории к практике: сб. ст. по матер. XXXVIII междунар. науч.-практ. конф. – № 9 (34). – Ново- сибирск : СибАК, 2014. 5. Визначення енергозаощаджуючих режимів розгону поїздів / Б. Є. Боднар, М. І. Капіца, А. М. Афана- сов, Д. М. Кислий // Наука та прогрес транспорту. – 2015. – № 5 (59). – С. 40–52. doi: 10.15802/stp2015/5535 6. ГОСТ Р 56046-2014. Показатели использования локомотивов. Термины и определения. – Москва : «Стандартинформ», 2015. – 28 с. 7. Жуковицький, І. В. Інтелектуальні засоби управління парками технічних систем залізничного транспо- рту : монографія / І. В. Жуковицький, В. В. Скалозуб, А. Б. Устенко // Дніпропетр. нац. ун-т зал. тран- сп. ім. акад. В. Лазаряна. – Дніпро : Стандарт – Сервіс, 2018. – 190 с. 8. Жуковицький, І. В. Питання підвищення ефективності технологічних та експлуатаційних процесів за- лізничного транспорту засобами інтелектуальних систем / І. В. Жуковицький, В. В. Скалозуб // Систе- мні технології : регіон. міжвуз. зб. наук. пр. – Дніпропетровськ, 2016. – № 3 (104). – С. 119–124. 9. Жуковицький, І. В. Принципи використання аналітичних серверів в автоматизованій системі управлін- ня локомотивним господарством УЗ (АСУ Т) / І. В. Жуковицький, А. Б. Устенко, О. Л. Зіненко // За- лізн. трансп. України. – 2013. – № 5/6. – С. 43–49. 10. Жуковицький, І. В. Створення нових можливостей АСК ВП УЗ із підтримки оперативного планування призначення локомотивів до складу вантажних поїздів УЗ / І. В. Жуковицький, А. Б. Устенко, О. Л. Зі- ненко // Інформ.-керуючі системи на залізн. трансп. – 2011. – № 5. – С. 51–56. 11. Комп’ютерне моделювання залізничних транспортних засобів : метод. вказівки до виконання практич- них робіт, курсового та дипломного проектування / М. Капіца, Я. Калівода, Л. Недужа, О. Очкасов, Д. Черняєв. – Дніпро : Дніпропетр. нац. ун-т залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна, 2018. – 59 с. 12. Лакин, И. И. Мониторинг технического состояния локомотивов по данным бортовых аппаратно- программных комплексов : дис. … канд. техн. наук : 05.22.07 / Лакин Игорь Игоревич ; МГУПС (МИИТ). – Москва, 2016. – 195 с. 13. Лоза, П. А. Оценка качества выполнения системы содержания парка электроподвижного состава / П. А. Лоза, Т. С. Гришечкина // Электрификация транспорта. – 2015. – № 9. – С.87–93. 14. Ломотько, Д. В. Статистичне визначення показників безпеки руху поїздів в процесі експлуатації / Д. В. Ломотько, О. М. Горобченко // Зб. наук. праць ДонІЗТ, 2010. – № 21. – С. 137–141. 15. Підвищення ефективності оперативного керування локомотивним парком залізниць України : моног- рафія / Д. М. Козаченко, Р. В. Вернигора, Л. О. Єльнікова, М. І. Березовий ; Дніпропетр. нац. ун-т за- лізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. – Дніпро : Герда, 2017. – 164 с. 16. Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности / С. А. Айвазян, В. М. Бухштабер, И. С. Енюков, Л. Д. Мешалкин ; под ред. С. А. Айвазяна. – Москва : Финансы и статистистика, 1989. – 607 с. 17. Саати, Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий / Т. Саати. – Москва : Радио и связь, 1993. – 278с. 18. Субботин, С. А. Формирование и редукция выборок для интеллектуального анализа данных / С. А. Субботин // Радіоелектроніка, інформатика, управління. – 2013. – № 1. – С. 113–118. 19. Determination of Integrated Indicator for Analysis of the Traffic Safety Condition for Traction Rolling Stock / B. Bodnar, Y. Bolzhelarskyi, O. Ochkasov, T. Hryshechkina, L. Černiauskaitė // Intelligent Technologies in Logistics and Mechatronics Systems (ITELMS’2018) : the 12th Intern. Sci. Conf. (April 26–27, 2018, Panevėžys) / Kaunas University of Technology. – Panevėžys, 2018. – P. 45–54. 20. Dynamic Track Irregularities Modeling when Studying Rolling Stock Dynamics / I. Bondarenko, R. Keršys, O. Lunys, L. Neduzha // Proc. of 23rd Intern. Sci. Conf. (October 2–4, 2019) / Kaunas University of Technology. – Palanga, 2019. – P. 1014–1019.

Creative Commons Attribution 4.0 International © Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195762 Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар, 2019

55 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. ВісникДніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ ТРАНСПОРТУ

21. Lunys, O. Stability Research of the Main-Line Locomotive Movement / O. Lunys, L. Neduzha, V. Tatarinova // Proc. of 23rd Intern. Scientific Conf. «Transport Means. 2019». – 2019. – P. 1341–1345. 22. Locomotive Safety Standards [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://www.gpo.gov/fdsys/pkg/FR- 2011-01-12/pdf/2010-33244.pdf – Назва з екрану. – Перевірено : 18.11.2019. 23. Ochkasov, O. Usage of Intelligent Technologies in Choosing the Strategy of Technical Maintenance of Locomotives / O. Ochkasov, O. Shvets, L. Černiauskaitė // Technologijos ir Menas = Technology and Art. – 2017. – № 8. – P. 68–71. 24. Okorokov, A. M. Proposals for improving the process of forming programs of reforming the railway transport industry / A. M. Okorokov, M. O. Bulakh // Наука та прогрес транспорту. – 2018. – № 2 (74). – С. 57–66. doi: 10.15802/stp2018/130463 25. Safety Performance Analysis of the Movement and Operation of Locomotives / B. Bodnar, O. Ochkasov, Ye. Bodnar, T. Hryshechkina, R. Keršys // Transport Means 2018 : Proc. of the 22nd Intern. Sci. Conf. (Oct. 03–05, 2018, Trakai, Lithuania) / Kaunas Univ. of Technology, Klaipėda Univ., JSC Lithuanian Railways (AB «Lietuvos Geležinkeliai») [et al.]. – Kaunas, 2018. – Pt. II. – P. 839–843. 26. Simulation of locomotive repair organization by the methods of queue systems theory / B. E. Bodnar, O. B. Оchkаsоv, Е. B. Bodnar, Т. S. Hryshechkina, М. V. Ocheretnyuk // Наука та прогрес транспорту. – 2018. – № 5 (77). – С. 28–40. doi: 10.15802/stp2018/147740

Б. Е. БОДНАРЬ1, А. Б. ОЧКАСОВ2*, Т. С. ГРИШЕЧКИНА3, Е. Б. БОДНАРЬ4

1Каф. «Локомотивы», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 733 19 01, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-3591-4772 2*Каф. «Локомотивы», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 733 19 61, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-7719-7214 3Каф. «Высшая математика», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (0562) 36 26 04, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-1570-4150 4Каф. «Локомотивы», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 733 19 61, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0001-6040-913X

ОЦЕНКА РАБОТЫ ЛОКОМОТИВНОГО ПАРКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ УМЕНЬШЕНИЯ РАЗМЕРНОСТИ

Цель. Основной целью работы является сокращение времени для проведения анализа и повышения эффек- тивности обработки статистической информации по оценке работы локомотивного парка за счет использова- ния методов снижения размерности данных. Методика. Для проведения исследования выбрана методика по- строения индекса произвольного процесса. Использование методики позволяет выделить из общего множества параметров те составляющие, которые являются наиболее информативными. С помощью метода анализа иерархий на базе полученных главных компонент можно строить единственный обобщающий показатель. Результаты. Выполнен анализ подходов к совершенствованию существующей системы показателей учета работы локомотивов. Обоснована целесообразность использования методов снижения размерности для анали- за показателей работы локомотивов. С помощью метода главных компонент определены наиболее информа- тивные показатели работы локомотивов и степень их влияния на общий уровень безопасности движения в ло- комотивном хозяйстве, выполнение системы содержания. Приведены примеры анализа показателей локомо- тивного хозяйства с использованием предложенной методики, индекса выполнения системы содержания, ин- дексов безопасности движения и эксплуатационной безопасности в локомотивном хозяйстве. Выполнен анализ работы локомотивного хозяйства посредством совместного рассмотрения предложенных интегральных индек- сов, а также количественных и качественных показателей использования локомотивов. Наличие разницы меж- ду значениями этих показателей свидетельствует об ухудшении или улучшении состояния безопасности дви- жения с учетом объемов выполненной работы. Превышение значения коэффициента эксплуатационной без- опасности движения над индексом безопасности свидетельствует об ухудшении состояния безопасности дви- жения, несмотря на уменьшение абсолютных значений показателей, характеризующих уровень безопасности Creative Commons Attribution 4.0 International © Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195762 Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар, 2019

56 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. ВісникДніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ ТРАНСПОРТУ

движения в локомотивном хозяйстве. Научная новизна. В работе впервые предложено оценивать состояние безопасности движения в локомотивном хозяйстве за счет разности индексов безопасности движения и экс- плуатационной безопасности. Практическая значимость. Для анализа работы локомотивного парка целесо- образно использовать методы уменьшения размерности данных. Для оценки состояния безопасности движения более целесообразно использовать индекс эксплуатационной безопасности, так как он учитывает объёмные показатели роботы локомотивного хозяйства. Ключевые слова: показатели использования локомотивов; уменьшение размерности данных; метод глав- ных компонент; метод анализа иерархий; индекс процесса; система содержания локомотивов; индексы безо- пасности движения

B. Y. BODNAR1, A. B. OCHKASOV2*, T. S. HRYSHECHKYNA3, Y. B. BODNAR4

1Dep. «Locomotives», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 733 19 01, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-3591-4772 2*Dep. «Locomotives», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel.+38 (056) 733 19 61, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-7719-7214 3Dep. «Higher Mathematics», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (0562) 36 26 04, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-1570-4150 4Dep. «Locomotives», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 733 19 61, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-6040-913X

ASSESSMENT OF LOCOMOTIVE FLEET OPERATION USING THE METHODS OF DECREASING DIMENSIONS

Purpose. The main purpose of the work is to reduce the time for analysis and increase the efficiency of processing statistical information on assessing the locomotive fleet operation through the use of methods to reduce the data dimensionality. Methodology. To conduct the study, the methodology for constructing an arbitrary process index was chosen. Using the methodology allows selecting from the total set of parameters those components that are the most informative. Using the method of hierarchies analysis based on the obtained main components, it is possible to construct a single generalizing indicator. Findings. The approaches to improving the existing system of indicators for accounting the operation of locomotives were analyzed. The expediency of using dimensionality reduction methods to analyze the locomotive operation was substantiated. Using the method of main components, the most informative indicators of locomotive operation and the degree of their influence on the general level of traffic safety in locomotive economy, the implementation of the maintenance system are determined. The examples of the analysis of locomotive economy indicators using the proposed methodology, index of performance of maintenance system, traffic safety indices and operational safety in locomotive economy are given. The locomotive economy was analyzed through a joint review of the proposed integrated indices, as well as quantitative and qualitative indicators of the locomotive use. The difference between these indicators shows a deterioration or improvement in the traffic safety state, taking into account the volume of work performed. Increase in the operational traffic safety coefficient over the safety index shows a deterioration in the traffic safety state, despite a decrease in the absolute values of indicators characterizing the level of traffic safety in locomotive economy. Originality. For the first time, it was proposed to evaluate the traffic safety state in locomotive economy through the difference between the traffic safety and operational safety indices. Practical value. To analyze the operation of locomotive fleet, it is advisable to use the methods to reduce the data dimensionality. To assess the traffic safety state, it is more advisable to use the operational safety index, since it takes into account the volumetric performance indicators of locomotive economy. Keywords: locomotive use indicators; data dimensionality reduction; principal component method; hierarchy analysis method; process index; locomotive maintenance system; traffic safety indices

Creative Commons Attribution 4.0 International © Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195762 Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар, 2019

57 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. ВісникДніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ ТРАНСПОРТУ

REFERENCES 1. Abolmasov, A. A. (2017). Upravlenie tekhnicheskim sostoyaniem tyagovogo podvizhnogo sostava v uslovi- yakh servisnogo obsluzhivaniya. (Dysertatsiia kandydata tekhnichnykh nauk). MGUPS (MIIT), Moscow. (in Russian) 2. Ayzinbud, C. Ya., & Kalperis, P. I. (1990). Ekspluatatsiya lokomotivov. Moscow: Transport. (in Russian) 3. Bodnar, B. E., & Mosendz. A. I. (1998). Primenenie strukturnogo modelirovaniya dlya issledovaniya raboty predpriyatiya zheleznodorozhnogo transporta. Matematychne modeliuvannia v inzhenernykh i finansovo- ekonomichnykh zadachakh. Zbirnyk naukovykh prats DIIT, 106-116. (in Russian) 4. Bosov, A. A., & Loza, P. A. (2014). Creation of an index of arbitrary process. Tyekhnichyeskiye nauki -ot tyeorii k praktikye Cbornik statey po materialam XXXVIII mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, 9(34), Novosibirsk: SibAK (in Russian) 5. Bodnar, B. Y., Kapitsa, M. I., Afanasov, A. M., & Kyslyi, D. N. (2015). Definition of energy saving accelera- tion modes of trains. Science and Transport Progress, 5(59), 40-52. doi: 10.15802/stp2015/55359 (in Ukrainian) 6. Pokazateli ispolzovaniya lokomotivov. Terminy i opredeleniya. 28 GOST R 56046-2014 (2015). (in Russian) 7. Zhukovytskyi, I. V., Skalozub, V. V., & Ustenko, A. B. (2018). Intelektualni zasoby upravlinnia parkamy tekhnichnykh system zaliznychnoho transport: monohrafiia. Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan. (in Ukrainian) 8. Zhukovytskyy, I. V., & Skalozub, V. V. (2016). Question of Increase of Efficiency of Technological and Op- erating Processes of Railway Transport by Facilities of Intellectual Systems. System technology: Regional intercollegiate collection of scientific works, 3(104), 119-124. (in Ukrainian) 9. Zhukovytskyy, I. V., Ustenko, A. B., & Zinenko, O. L. (2011). The principle of using analytical server in automatic control systems locomotive department Ukrainian railways (ASU T). Zaliznychnyj transport Ukrajiny, 5/6, 43-49. (in Ukrainian) 10. Zhukovytskyy, I. V., Ustenko, A. B., & Zinenko, O. L. (2011). Stvorennia novykh mozhlyvostei ASK VP UZ iz pidtrymky operatyvnoho planuvannia pryznachennia lokomotyviv do skladu vantazhnykh poizdiv Infor- matsiino-keruiuchi systemy na zaliznychnomu transporti, 5, 51-56. (in Ukraіnian) 11. Kapіtsa, M. І., Kalіvoda, J., Neduzha, L. O., Ochkasov, O. B., & Chernyayev, D. V. (2018). Komp’yuterne modelyuvannya zalіznichnikh transportnikh zasobіv: metodychni vkazivky do vykonannia praktychnykh robit, kursovoho ta dyplomnoho proektuvannia. Dnipro. (in Ukranian) 12. Lakin, I. I. (2016). Monitoring tekhnicheskogo sostoyaniya lokomotivov po dannym bortovykh apparatno- programmnykh kompleksov. (Dysertatsiia kandydata tekhnichnykh nauk). MGUPS (MIIT), Moskow. (in Russian) 13. Loza, P. A., & Grishechkina, T. S. (2015). Estimation of the quality of implementation electric rolling stock maintenance system. Electrification of Transport, 9, 87-39. (in Russian) 14. Lomotko, D. V. Statystychne vyznachennia pokaznykiv bezpeky rukhu poizdiv v protsesi ekspluatatsii. Zbirnyk naukovykh prats DonIZT, 21, 137-141. (in Ukranian) 15. Kozachenko, D. M., Vernigora, R. V., Yelnikova, L. O., & Berezovy, M. I. (2017). Pidvyshchennia efektyvnosti operatyvnoho keruvannia lokomotyvnym parkom zaliznyts Ukrainy: Monohrafiia. Dnipro: Herda. (in Ukrainian) 16. Ayvazyan, S. A., Bukhtshtaber, V. M., Yenyukov, I. S., & Meshalkin, L. D. (1989). Prikladnaya statistika: Klassifikatsiya i snizhenie razmernosti. Moscow: Finansy i statististik. (in Russian) 17. Saati, T. (1993). Prinyatie resheniy. Metod analiza ierarkhiy. Moscow: Radio i svyaz. (in Russian) 18. Subbotin, S. A. (2013). Sample formation and reduction for data mining. Radio Electronics, Computer Science, Control, 1, 113-118. (in Russian) 19. Bodnar, В., Bolzhelarskyi, Y., Ochkasov, О., Hryshechkina, Т., & Černiauskaitė, L. (2018). Determination of Integrated Indicator for Analysis of the Traffic Safety Condition for Traction Rolling Stock. Intelligent Tech- nologies in Logistics and Mechatronics Systems (ITELMS’2018): The 12th International Scientific Conf. (April 26–27, 2018, Panevėžys). Panevėžys: Kaunas University of Technology. (in English) 20. Bondarenko, I., Keršys, R., Lunys, O., & Neduzha, L. (2019). Dynamic Track Irregularities Modeling when Studying Rolling Stock Dynamics. Proceedings of 23rd International Scientific Conference (October 2–4, 2019). Palanga. (in English) 21. Lunys, O., Neduzha, L., & Tatarinova, V. (2019). Stability Research of the Main-Line Locomotive Movement. Proc. of 23rd Intern. Scientific Conf. «Transport Means. 2019», 1341-1345. (in English) 22. Locomotive Safety Standards. Retrieved from: https://www.gpo.gov/fdsys/pkg/FR-2011-01-12/pdf/2010- 33244.pdf (in English)

Creative Commons Attribution 4.0 International © Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195762 Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар, 2019

58 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. ВісникДніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ ТРАНСПОРТУ

23. Ochkasov, O., Shvets, О., & Černiauskaitė, L. (2017). Usage of Intelligent Technologies in Choosing the Strategy of Technical Maintenance of Locomotives. Technologijos ir Menas = Technology and Art, 8, 68-71. (in English) 24. Okorokov, A. M., & Bulakh, M. O. (2018). Proposals for improving the process of forming programs of reforming the railway transport industry. Science and Transport Progress, 2(74), 57-66. doi:10.15802/stp2018/130463 (in English) 25. Bodnar, B. Ochkasov, O., Bodnar, Ye., Hryshechkina, T., & Keršys, R. (2018). Safety Performance Analysis of the Movement and Operation of Locomotives. Proceedings of 22st International Conference on Transport Means 2018, Lithuania, 2,839-843. (in English) 26. Bodnar, B. E., Оchkаsоv, O. B., Bodnar, Е. B., Hryshechkina, Т. S., & Ocheretnyuk, М. V. (2018). Simulation of locomotive repair organization by the methods of queue systems theory. Science and Transport Progress, 5(77), 28-40. doi: 10.15802/stp2018/147740 (in English)

Надійшла до редколегії: 19.08.2019 Прийнята до друку: 28.11.2019

Creative Commons Attribution 4.0 International © Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195762 Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар, 2019

59 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ

UDC 625.57:621.311

S. V. RAKSHA1*, O. S. KUROPIATNYK2*, O. L. KRASNOSHCHOK3*

1*Dep. «Applied Mechanics and Materials Science», Dnipro National University named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 18, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-4118-1341 2*Dep. «Applied Mechanics and Materials Science», Dnipro National University named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (050) 674 26 44, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-5581-3883 3*Dep. «Applied Mechanics and Materials Science», Dnipro National University named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (098) 706 27 43, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-0140-5179

JUSTIFICATION OF CRITERIA FOR ROPEWAYS ENERGY EFFICIENCY

Purpose. The article is aimed to form and justify the energy efficiency indicators of ropeways of traditional design and ropeways with self-propelled wagons based on the determination and comparison of their values. The substantiation of the energy efficiency criteria of ropeway wagons allows us to determine fully the direction of further research in the field of development of alternative transport mode. Methodology. To obtain initial data, the authors reviewed the world trends in the development of ropeway wagons, proposed analytical formulas for determining criteria for ropeways` energy efficiency used to compare traditional ropeways and ropeways with self-propelled wagons. Herewith, we took into account the influence of the loading degree and rated power on the electric motor efficiency. In order to take into account the energy dissipation in the haul rope through its elastic properties, the concept of the efficiency coefficient of the haul rope was introduced. Findings. The authors formed a methodology for calculating the efficiency of ropeways, developed formulas for determining energy efficiency. We assessed the influence of the ropeway characteristics on their calculated values; constructed dependence graphs of the self- propelled ropeway efficiency coefficient on the rated electric motor power and the efficiency coefficient on the ropeway drive loading, as well as compared general efficiency coefficients for ropeways with self-propelled wagons and for ropeways of traditional design. The results are based on the averaged values of the electric motors parameters at their different loads. Originality. The authors first proposed and justified the energy-efficiency criteria for ropeways that make it possible a comparative analysis of traditional ropeways and those with self-propelled wagons. We determined the dependence of these indicators on the ropeway parameters. Practical value. The results of the comparative analysis of traditional construction of ropeways and the ropeways with self-propelled wagons, based on the proposed energy efficiency indicators, can be used to substantiate the feasibility of using certain type of ropeways for the implementation of individual transport processes. The construction diagram of a self-propelled wagon can be used in the development of energy efficient passenger ropeway projects. Keywords: ropeway; energy efficiency; self-propelled wagons; alternative transport; specific energy consumption; efficiency coefficient

Introduction and freight traffic. Aerial ropeway for any terrain has low construction and operation costs. Ecologi- Throughout the world, ropeway is called the cal cleanliness, safety, movement speed, consider- transport of the future. Modern transport complex- able carrying capacity – these factors have become es must fully meet the urban needs of passengers decisive for the use of ropeway transport not only Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195601 © S. V. Raksha, O. S. Kuropiatnyk, O. L. Krasnoshchok, 2019

60 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ for tourist entertainment, but also for passenger The rules for the construction and safe opera- transportation along with the traditional transport tion of aerial ropeways of the Labor Safety Laws modes – by cars, railways, trams and so on. The and Regulations 60.2-1.02-14 set safety require- use of aerial ropeways helps to reduce the traffic ments for the equipment of ropeways for transpor- load on automobile roads. The ropeways can have tation of passengers and apply to economic entities a long distance between supports, pass over hous- regardless of ownership and organizational and es, settlements, forest stands, and overcome long- legal forms involved in its manufacture, installa- range water obstacles. tion, dismantling, adjustment, operation, repair, Aerial ropeways are a versatile transport mode maintenance and modernization [9]. that has significant advantages over existing Let us compare the types of passenger rope- transport that provide transportation of goods and ways by the number of ropes. people. The volume of construction and mainte- In single-rope ropeways, the rope performs nance costs for ropeways is much lower than the both traction and carrying functions at the same corresponding values that characterize other modes time. When passing the pick-up and drop-off of transport [6]. zones, it is possible to stop the wagons; at the same The use of modern technologies has made it time, the system has high carrying capacity. Sin- possible to create reliable transport systems inte- gle-rope ropeways are becoming more widespread grated into the urban environment. Economic effi- in today's urban mobility. The main characteristics ciency is one of the main indicators of ropeway of this type of ropeway are as follows [1]: transport [15]. The use of rope haulage is ex- – carrying capacity – up to 4,500 people/hour; plained by the lower power consumption due to the – wagon movement speed – up to 6 m/sec; combination of end (and intermediate) destination – wagon capacity – up to 10 people. points over the shortest distance. There is also Two- and multi-rope ropeways have one haul a possibility to adjust the number of cars on the rope and move along one or two carrying ropes. route depending on the line congestion and the Ropeways of these types allow changing the num- possibility of work automation on the sections be- ber of wagons on the track. They also have high tween the city districts. When designing a rope- capacity, guarantee extraordinary stability of way, one searches for an optimum-compromise movement in case of significant increase in wind solution that meets the requirements of economic speed [7]. The main features of this type of rope- efficiency, manufacturability and safety. way are as follows: Comparative evaluation of the effective intro- – carrying capacity – up to 6,000 people/hour; duction into operation of wagons and energy- – wagon movement speed – up to 8.5 m/sec; saving technologies, productivity and economic – wagon capacity – up to 35 people. efficiency of machines and units is carried out us- The ropeway classification by wagon types is ing the operating and reduced costs [12]. presented in Fig. 1 [8]. a b c d e

Fig. 1. Passenger ropeways by types of wagons: а) single-rope dismantable; b) two-rope dismantable, c) multi-rope dismantable; d) group reversible wagons; e) aerial tram

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195601 © S. V. Raksha, O. S. Kuropiatnyk, O. L. Krasnoshchok, 2019

61 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ

The advantages of ropeways over other ficiency is the ratio between the volume of pro- transport modes are as follows: duced benefits (results of activity (functioning), 1. Small capital investment and operating costs. products (goods, works, services) and energy) and The cost for implementing the ropeway system is the volume of energy used for production of such about half the cost for the tram and about 1/10 of benefits [11]. A similar concept is presented in the the cost for underground [16]. current Law of Ukraine «On Energy Efficiency of 2. Constant transportations – ropeways guaran- Buildings,» which states that the energy efficiency tee uninterrupted travel time, do not impede the of a building is a property of a building, character- traffic of other transport modes. ized by the volume of energy required to create the 3. Fast creation – ropeways can be built in proper living and/or life conditions of people in a short period of time, immediately after ordering. such a building [4]. It should also be noted that it is This is mainly due to the use of modular structures. advisable to compare the structures of different 4. Low space requirements – when designing size according to specific indicators – the ratio of ropeways, the location of all possible obstacles is absolute values to the basic design indicator (for considered, which is particularly relevant in dense- example, productivity). Considering this, we will ly populated urban areas. Supports and stations assume that the energy efficiency of ropeway is a occupy a relatively small space, and cable lines are property of the road, which is characterized by the conveniently integrated into the cityscape. volume of energy required to carry out the 5. Environmentally friendly – ropeways have transport process. no harmful emissions because the type of system To compare the ropeways, it is necessary to de- drive is electric. termine the energy efficiency parameters for each 6. Separate track that does not cross the existing type. transport routes. To obtain the initial data, an overview of the 7. Insignificant dependence on terrain and ele- world trends in the ropeways development was vation differences – ropeways can run on steeper conducted. Analytical formulas are proposed to slopes than any land roads and are suitable for use determine the energy efficiency indicators by in any terrain [1]. which traditional ropeways design and the rope- 8. Architecture – architects and designers have ways with self-propelled wagons are compared. many creative possibilities for designing stations, Herewith the effect of the load degree and rated supports and interiors and exteriors of ropeways. power on the motor efficiency coefficient was tak- Given the benefits of ropeways, it is obvious en into account. In order to take into account the that they can be widely used to solve the transport energy dissipation in the haul rope due to its elastic problem of metropolitan areas. properties, the concept of efficiency coefficient of the haul rope was introduced. Purpose Findings The main purpose of the article is to formulate and substantiate the energy efficiency indicators of Instead of the traditional ropeway design, we ropeways of traditional design and those with self- propose the use of ropeways with self-propelled propelled wagons based on comparison of their wagons as one of the possible solutions to the values. transport problem of large cities. The following Substantiation of energy efficiency indicators advantages are expected from the use of such of ropeways allows determining in full the direc- a transport system: high mobility, reduced energy tion of further research in the field of development costs due to the use of electric motors of lower of alternative mode of urban transport. power than in traditional ropeways, and the design of a fundamentally new wagon drive structure with Methodology modern electric motors. The concept of energy efficiency was intro- The use of modern software systems for engi- duced in the draft Law of Ukraine «On Energy Ef- neering calculations and the creation of models ficiency» and is formulated as follows: energy ef- with high reliability of the obtained results allow Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195601 © S. V. Raksha, O. S. Kuropiatnyk, O. L. Krasnoshchok, 2019

62 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ us to confirm the expediency of using innovative mentally new design of the passenger wagon of the ideas, as well as to clearly present the results of ropeway, air conditioning systems, regenerative engineering and design solution. During the mod- braking, energy storage, automatic control of wag- eling of the self-propelled system design, the engi- on movement, temperature control inside and out- neers used the principle the simpler the system, the side the cabin, and air speed, as well as integrated higher the reliability, as well as the principles of security system (cabin return to the station in case partial and complete interchangeability. of any emergency) are provided. The task of the research is to compare two The following basic parameters of the self- ropeway designs: traditional (with haul rope) and propelled system are provided: maximum wagon self-propelled wagons, based on the need to mini- movement speed, diameter and type of rope, max- mize the reduced energy costs. Unlike traditional imum operating temperatures of the rope system, ropeways (with haul or load-haul rope), decentral- maximum wind speed, maximum carrying capacity ized haul ropeways have self-propelled wagons or (number of passengers carried per hour), specific a group of locomotive-driven trolleys. A distinc- energy consumption, capacity of the battery sec- tive feature of such roads is also the horizontal or tion, power consumption, loading factor, the track gently inclined, mainly rail ropeway, as well as the length in the plan, reduced wagon movement re- ability to equip self-propelled cars with lifting sistance factor. mechanisms. These ropeways have electric traction The new self-propelled wagon scheme (Fig. 2) [1]. contains accumulator batteries for the subsequent A self-propelled vehicle is a vehicle equipped accumulation of energy during the journey from with a propulsion device that enables it to move the initial station to the destination. itself without the external forces, in the presence of While moving the car down (descent), it is pos- batteries – devices for the accumulation of energy sible to accumulate energy – recharging the bat- for its further use. tery, which is realized through the use of regenera- The basis for the creation of a new system of tive braking. Full charging must occur at the sta- alternative transport (ropeway with self-propelled tion. wagons) is its following advantages: 1. compactness of vehicles; 2. movement interval of 50 meters; 3. automated control system; 4. self-propelled movement principle; 5. separate path integrated into complex urban development. The purpose of using a self-propelled aerial transport system instead of traditional ropeway is to increase energy efficiency and the degree of automation of the transport process. Low energy costs can be achieved through the use of a self-propelled transport system: – innovative technical solutions; Fig. 2. Construction diagram – individual drive for each wagon; of self-propelled wagon: – energy recovery during braking; 1 – carrying rope; 2 – cabin fastening to the running equipment; 3 – cabin; 4 – accumulator batteries; – possibility of using renewable energy. 5 – solar panel; 6 – drive wheels The ropeway design with self-propelled wagons involves the use of drive motors on each unit The ropeway with self-propelled wagons is of rolling stock instead of a single centralized drive provided a single-rope type; herewith the rope is located at one of the stations. not haul but only load one. The individual drive of To improve the safety of transportation, pas- the self-propelled wagon gives the cabin move- senger comfort and energy efficiency in a funda- ment relative to the support rope, and the cabins move in the desired direction. Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195601 © S. V. Raksha, O. S. Kuropiatnyk, O. L. Krasnoshchok, 2019

63 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ

It is provided recharging the batteries from so- Such a criterion allows us to estimate the ener- lar energy, as well as to store it for future use. gy costs for transporting passengers and cargo (by A significant advantage of this scheme is the weight, volume, quantity, etc.) [6]. ability to stop one wagon at a pick-up and drop-off Drive output power: station. D2  ( m  m )  g  L  v  w '  λ, The utility model «Aerial over-ground transport 01 system» by E. M. Kublanov (Fig. 3) was taken as where m0 – wagon weight (empty); m1 – total a prototype of the aerial self-propelled transport weight of passengers with luggage; g – accelera- system (Fig. 3) [10]. tion of gravity; L – track length in the plan; v – Indicators of the ropeway efficiency are the wagon movement speed; w' – reduced wagon specific energy consumption and the increase of movement resistance factor; λ – wagon hanging the efficiency coefficient. spacing. Carrying capacity of the passenger ropeway: Pλ,  m  v 1 Then the energy consumption of the drive: e2  (1  k )  g  L  w '. m The analysis of the obtained dependence shows that the factors that influence the specific energy consumption are: – track length in the plan L; – wagon loading coefficient m k  0 ; m m 1 – reduced wagon movement resistance factor Fig. 3. Aerial over-ground transport system: 1 – support; 2 – lower rail; 3 – moving element of transverse w'. movement confinement; 4 – wagon, Specific energy consumption for traditional 5 – platform; 6 – live cable; 7 – upper rail; 8 – power compo- design (with haul rope): nent; 9 – rollers; 10 – electric motor; 11 – current collector, qТλ 12 – clutch elements; 13 – foldaway doors; eHR 2  1  km   f  L  H   g, т 14 – power struts 1 Specific energy consumption is the amount where f – resistance factor of wagon movement of energy consumed by a ropeway for transporting and haul rope; qТ – distributed load taking into ac- a unit of a transported cargo (or one person for count the weight of rope and wagons. a ropeway) [2]. Specific energy consumption for self-propelled The specific energy consumption of the rope- wagons (without haul rope): way can be defined as the ratio of the output power e2  1  k  g  L  w'. of its drive to the ropeway performance (carrying wm  HR capacity): Since the factor f takes into account the move- D ment resistance of wagons and haul rope and the e  , P coefficient w’– only the wagon movement resistance, it can be stated that: where e – energy consumption ; D – drive output power; P – ropeway productivity (carrying capaci- ew 2 1 km   g L w' 2 1 km   g L f ty). HR

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195601 © S. V. Raksha, O. S. Kuropiatnyk, O. L. Krasnoshchok, 2019

64 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ

Let us transform the expressions to determine Overall drive efficiency of the self-propelled еHR to bring it to correspondence with the formula wagon: for е : w/HR η η η , ov1 mot1 mech1 qТ  λ eHR 2 g  [ 1  km   f  L  H 1  km    where ƞmot1 – efficiency coefficient of electric mo- m1 tor of self-propelled wagon; ƞmech1 – efficiency coefficient of mechanical transmission. fL H ]; e2 1  k  g  f  L 2 g  [ 1  k H  HR m  m  q  λ Т f  L  H ]. m1 Let w' ≈ f, then:

eeHR w  е, HR where Δe – excess specific energy consumption caused by the energy consumption for lifting wagons and moving the haul rope for a ropeway of traditional design; Fig. 5. The drive scheme of the traditional type  qТλ of ropeways е 2  g  1  km   H   f  L  H  . т 1 The overall efficiency of traditional ropeways: The last expressions show that the specific en- η η  η  η , ergy consumption for ropeways of traditional de- ovn mot n mech n HR sign (with haul rope) exceeds that for ropeways where ƞmot.n – efficiency coefficient of electric mo- with self-propelled wagons. tor of traditional ropeway; ƞmech.n – efficiency coef- The absence of traction rope will reduce the ficient of mechanical transmission; ƞHR – efficiency specific energy consumption. However, the use of coefficient of haul rope – a value that characterizes an individual drive leads to an increase in the wag- energy dissipation due to the damping properties of on weight (m0), which can cause increase in re- the rope. duced energy consumption. The efficiency coefficient concept of the haul As it is known, the efficiency coefficient of rope was introduced conditionally to take into ac- a mechanical system is the product of all the com- count its energy dissipation properties during ponents of efficiency coefficient that are part of transportation. this system [3]. Let us consider the schematic dia- Let us find the increase in efficiency grams of drives of a self-propelled wagon (Fig. 4) coefficient: and aerial ropeways of traditional design (Fig. 5). η  η  η . ov1 ovn If Δƞ > 0, then the ropeway with self-propelled wagons is more energy efficient than that of traditional design. The motor efficiency coefficient may vary depending on the following parameters: 1) rated power; 2) loading degree; Fig. 4. The drive scheme of self-propelled wagon 3) rated shaft speed. Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195601 © S. V. Raksha, O. S. Kuropiatnyk, O. L. Krasnoshchok, 2019

65 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ

The dependence of the motor efficiency coeffi- is 3… 10 kW. The efficiency coefficient of these cient on the rated power can be represented in the motors varies significantly: 0.81… 0.87. form of a graph (Fig. 6), based on the analysis of Since the transmission mechanisms in both cas- efficiency coefficients of motors of different rated es (self-propelled wagon, traditional ropeway type) power in the catalogs of their manufacturers [5]. are structurally composed of the same components, we will assume their efficiency coefficients are the same. Let us consider the case when a traditional ropeway motor is loaded at 25% power. Such a case is possible if 75% of the wagons are removed from the track due to their underload. At the same time, for self-propelled wagons, the electric motor is 100% loaded. In both cases, we be- lieve that the wagons remaining on the track are fully loaded. The increase in the efficiency coefficient is defined as: Fig. 6. The dependence of efficiency coefficient on the

rated power of electric motor ηη' mot1  η'' mot2  η mech1  η' mot n  η'' mot n  η mech n  η, HR The dependence of the efficiency coefficient on where ƞ'mot1, ƞ'mot.n – the values that take into ac- the motor loading is presented in Fig. 7. In case of count the effect of electric motor power on its effi- overload of electric motor, the efficiency coeffi- ciency coefficient for a self-propelled wagon and cient is lower than the design value [13]. a ropeway of the traditional type; ƞ''mot1, ƞ''mot n – values that take into account the effect of the loading of electric motor on its efficiency coefficient for a self-propelled wagon and a ropeway of the traditional type, respectively; Then the haul rope`s efficiency coefficient can be defined as:

η'mot1 η'' mot1  η mech1 η'mot1 η'' mot1 ηHR25%    η'mot 25 η'' mot 25  η mech 25 η' mot 25 η'' mot 25 0.94 0.84  1.07  1. Fig. 7. The dependence of efficiency coefficient on the 0.83 0.89 loading of electric motor Efficiency coefficient cannot be greater than The analysis showed that the effect of the rated one, which means that in case of 25% loading of shaft speed on the motor efficiency coefficient is both ropeways, the ropeway with self-propelled negligible (within 0.5%). wagons has an advantage over the overall efficien- The power range of motors for traditional type cy of the system. of ropeways is 20… 250 kW. Efficiency of motors Let us consider the case when a motor of the of corresponding power is 0.91… 0.93. For self- traditional ropeway is loaded at 100% power. At propelled cars, the capacity of the engines is the same time for self-propelled wagons, the elec- 3…10 kW. The efficiency of these engines varies tric motor remains loaded at 100%. Under the fol- significantly: 0.81… 0.87. lowing conditions, the haul rope efficiency is as The range of power levels of electric motors for follows: traditional ropeways is 20…250 kW. Efficiency η' η'' 0.94 0.84 η  mot1 mot1   0.94. coefficient of motors of corresponding power is HR100% η' η'' 0.94 0.89 0.91… 0.93. For self-propelled wagons, the power mot100 mot 100 Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195601 © S. V. Raksha, O. S. Kuropiatnyk, O. L. Krasnoshchok, 2019

66 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ

The haul rope`s efficiency coefficient is less Under real conditions, the efficiency coefficient than one, which means that there is a limit value of of the haul rope is always less than one. the number of wagons nlim, for which the total ropeway efficiency coefficient of traditional rope- Originality and practical value way and self-propelled wagons is the same, despite The authors first proposed and substantiated the relatively low motor efficiency of the latter. energy efficiency indicators that allow for To check the accuracy of the calculation, let us a comparative analysis of ropeways of traditional draw up a mathematical block diagram of finding ropeways with self-propelled wagons. The depend- the efficiency coefficient of the haul rope, dependency of these indicators on the ropeway parameters ing on the loading of electric motors (Fig. 8). was determined. The data given above we take as the output, as According to the proposed indicators of energy well as take the efficiency coefficient of transmis- efficiency, the results of the comparative analysis sion mechanisms 0.9 [14]. For the efficiency coef- of traditional ropeways with those containing self- ficient of traditional ropeways, depending on the propelled wagons can be used to justify the feasi- loading (25-100%), we form the matrix of the ini- bility of using certain types of ropeways for im- tial data. The haul rope efficiency matrix is ob- plementing certain transport processes. tained as a result of mathematical actions. The developed design scheme of the self- As a result of mathematical actions, it follows propelled wagon can be applied during the devel- that in the case of loading of traditional ropeway opment of energy efficient projects of passenger motor of less than 50% self-propelled wagons will ropeways. be guaranteed an advantage, despite the low efficiency coefficient of electric motors of relatively Cocnclusions low power. This indicates that there are certain conditions in which the use of ropeways with self- Specific energy consumption for traditional propelled wagons instead of traditional ropeways is ropeways (with haul rope) exceed those for the appropriate and justified in terms of energy effi- ropeways with self-propelled wagons. The absence ciency. of haul rope will reduce the specific energy consumption. However, the use of an individual drive leads to increase in the wagon weight, which can cause an increase in reduced energy consumption. Using a specific example, the traditional ropeways were compared with self-propelled wagons by the criterion of increasing energy efficiency. The concept of the efficiency coefficient of the ropeway`s haul rope, which takes into account energy dissipation, was introduced. There is no haul rope`s efficiency coefficient for calculating ropeways with self-propelled wagons, since the rope is a supporting one. It is established that the total efficiency coeffi- Fig. 8. Mathematical block diagram of determining the cient of traditional ropeway can be comparable to efficiency coefficient of the haul rope in the Simulink the efficiency coefficient of a ropeway with self- software application propelled wagons due to the expedient loading of the electric motors of the latter.

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195601 © S. V. Raksha, O. S. Kuropiatnyk, O. L. Krasnoshchok, 2019

67 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ

LIST OF REFERENCE LINKS 1. Банько, В. Г. Будівлі, споруди та обладнання туристських комплексів : навчальний посібник / В. Г. Банько. – 2-ге вид, перер. та доп. – Київ : Дакор, 2008. – 325 c. 2. ДСТУ 2420-94. Енергоощадність. Терміни та визначення. – Київ : Державний Стандарт України, 1994. – 13 с. 3. Жемеров, Г. Г. Энергоэффективность системы электроснабжения метрополитена с рекуперацией элек- троэнергии при торможении / Г. Г. Жемеров, Д. С. Крылов, А. В. Машура // Електротехніка і електро- механіка. – 2019. – № 5. – С. 25–31. doi: 10.20998/2074-272X.2019.5.04 4. Закон України № 2118-VIII від 22.06.2017 р. «Про енергетичну ефективність будівель» / Відомості Верховної Ради (ВВР), 2017. – № 33, ст. 359. 5. Каталог электродвигателей АИР [Electronic resource]. – Available at: https://systemax.ua/ elektrodvigateli/trehfaznye-obshepromyshlennye-elektrodvigateli/air/ – Title from the screen. – Accessed : 27.11.2019 6. Куроп’ятник, О. С. Обґрунтування шляхів підвищення енергоефективності канатних доріг / О. С. Ку- роп’ятник // Modern methods, innovations, and experience of practical application in the field of technical sciences : Conference proceedings (Radom, Republic of Poland, December 27–28, 2017). – Radom, 2017. – P. 159–162. 7. Малыбаев, С. К. Специальные виды промышленного транспорта / С. К. Малыбаев, А. Н. Данияров. – Караганда, 2011. – 211 с. 8. Матеріали інтернет-сайтів виробників підвісних канатних доріг [Electronic resource]. – Available at: www.doppelmayr.com; www.skado.ru; www.poma.net; www.leitner-ropeways.com/ – Title from the screen. – Accessed : 27.11.2019 9. НПАОП 60.2-1.02-14: Правила будови і безпечної експлуатації підвісних канатних доріг [Electronic resource]. – Available at: https://dnaop.com/html/32423/doc-%D0%9D%D0%9F%D0%90%D0%9E% D0%9F_60.2-1.02-14 – Title from the screen. – Accessed : 27.11.2019 10. Пат. 54262 Україна, МПК51 B61B 3/00, B61B 13/00. Підвісна надземна транспортна система / Кубланов Є. М. ; заявник та власник патенту Кубланов Є. М. – №u200814870 ; заявл. 24.12.2008 ; опубл. 10.11.2010, Бюл. № 21. – 3 с. 11. Проект Закону України «Про енергетичну ефективність» [Electronic resource]. – Available at: https://saee.gov.ua/sites/default/files/Draft_EE_18_09_2017.docx – Title from the screen. – Accessed : 27.11.2019 12. Ракша, С. В. Обоснование способов снижения энергопотребления подвесных канатных дорог / С. В. Ракша, О. С Куроп’ятник, А. О. Курка // Наука та прогрес транспорту. – 2014. – № 1 (49). – С. 125–131. doi: 10.15802/stp2014/22677 13. Формула КПД электродвигателя [Electronic resource]. – Available at: https://electric- 220.ru/news/formula_kpd_ehlektrodvigatelja/2016-10-19-1090 – Title from the screen. – Accessed : 27.11.2019 14. Шейнблит, А. Е. Курсовое проектирование деталей машин : Учеб. Пособие / А. Е. Шейнблит. – 2-е изд., перераб. и дополн. – Калининград, 2002. – 454 с. 15. Frequency analysis of vehicle drive with cable traction / S. Raksha, O. Kuropiatnyk, P. Anofriev, D. Onoprey- chuk, I. Kovalov // MATEC Web of Conferences. – Vol. 230, No. 01010. – P. 1–8. doi: 10.1051/matecconf/201823001010 16. The urban cable transport magazine international [Electronic resource]. – Available at: http://www.siurban.com/media/files/urban2__ englisch_web.pdf – Title from the screen. – Accessed : 27.11.2019

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195601 © S. V. Raksha, O. S. Kuropiatnyk, O. L. Krasnoshchok, 2019

68 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ

С. В. РАКША1*, А. С. КУРОПЯТНИК2*, А. Л. КРАСНОЩОК3*

1*Каф. «Прикладная механика и материаловедение», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 18, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-4118-1341 2*Каф. «Прикладная механика и материаловедение», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (050) 674 26 44, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0001-5581-3883 3*Каф. «Прикладная механика и материаловедение», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (098) 706 27 43, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-0140-5179

ОБОСНОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ КАНАТНЫХ ДОРОГ

Цель. Основной целью статьи мы ставим формирование и обоснование показателей энергоэффективности канатных дорог традиционной конструкции и дорог с самоходными вагонами основе сравнения их величин. Обоснование показателей энергоэффективности канатных дорог позволяет в полном объеме определиться с направлением дальнейших исследований в области развития альтернативного вида городского транспорта. Методика. Для получения исходных данных проведен обзор мировых направлений развития канатных дорог. Предложены аналитические формулы для определения показателей энергоэффективности, по которым выполне- но сравнение канатных дорог традиционной конструкции и дорог с самоходными вагонами. При этом учтено влияние степени загруженности и номинальной мощности на коэффициент полезного действия электродвигате- ля. С целью учета рассеяния энергии в тяговом канате из-за его упругих свойств было введено понятие коэффи- циента полезного действия тягового канату. Результаты. Сформирована методика подсчета коэффициента по- лезного действия канатных дорог. Разработаны формулы для определения энергоэффективности и оценено влия- ние характеристик канатной дороги на их расчетные значения. Построены графики зависимости коэффициента полезного действия самоходной канатной дороги от номинальной мощности электродвигателя и коэффициента полезного действия от загруженности привода подвесной канатной дороги. Также сравнены общие коэффициен- ты полезного действия для канатных дорог с самоходными вагонами и для дорог традиционной конструкции. Приведенные результаты основываются на усредненных значениях параметров электродвигателей при их разной нагрузке. Научная новизна. Авторы впервые предложили и обосновали показатели энергоэффективности, кото- рые позволяют осуществлять сравнительный анализ канатных дорог традиционной конструкции и дорог с само- ходными вагонами. Определили зависимость этих показателей от параметров канатной дороги. Практическая значимость. Результаты проведенного сравнительного анализа канатной дороги традиционной конструкции с дорогами, которые используют самоходные вагоны, по предложенным показателям энергоэффек- тивности могут быть использованы для обоснования целесообразности применения определенных видов канат- ных дорог с целью реализации отдельных транспортных процессов. Разработанную конструктивную схему само- ходного вагона можно применять при разработке энергоэффективных проектов пассажирских канатных дорог. Ключевые слова: канатная дорога; энергоэффективность; самоходные вагоны; альтернативный транс- порт; удельные энергозатраты; коэффициент полезного действия

С. В. РАКША1*, О. С. КУРОП’ЯТНИК2*, О. Л. КРАСНОЩОК3*

1*Каф. «Прикладна механіка і матеріалознавство», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056) 373 15 18, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-4118-1341 2*Каф. «Прикладна механіка і матеріалознавство», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (050) 674 26 44, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0001-5581-3883 3*Каф. «Прикладна механіка і матеріалознавство», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (098) 706 27 43, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-0140-5179

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195601 © S. V. Raksha, O. S. Kuropiatnyk, O. L. Krasnoshchok, 2019

69 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ

ОБҐРУНТУВАННЯ ПОКАЗНИКІВ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ КАНАТНИХ ДОРІГ

Мета. За основну мету статті ми ставимо формування та обґрунтування показників енергоефективності канатних доріг традиційної конструкції та доріг із самохідними вагонами на основі порівняння їх величин. Обґрунтування показників енергоефективності канатних доріг дозволяє в повному обсязі визначитися з на- прямом подальших досліджень у сфері розвитку альтернативного виду міського транспорту. Методика. Для отримання вихідних даних проведено огляд світових напрямів розвитку канатних доріг. Запропоновано ана- літичні формули для визначення показників енергоефективності, за якими виконано порівняння канатних доріг традиційної конструкції та доріг із самохідними вагонами. При цьому враховано вплив ступеня заван- таженості й номінальної потужності на коефіцієнт корисної дії електродвигуна. З метою врахування розсію- вання енергії в тяговому канаті через його пружні властивості було введено поняття коефіцієнта корисної дії тягового канату. Результати. Сформовано методику підрахунку коефіцієнта корисної дії канатних доріг. Розроблено формули для визначення енергоефективності й оцінено вплив характеристик канатних доріг на їх розрахункові значення. Побудовано графіки залежності коефіцієнта корисної дії самохідної канатної до- роги від номінальної потужності електродвигуна та коефіцієнта корисної дії від завантаженості приводу підвісної канатної дороги. Також порівняно загальні коефіцієнти корисної дії для канатних доріг із самохід- ними вагонами та для доріг традиційної конструкції. Наведені результати ґрунтуються на усереднених зна- ченнях параметрів електродвигунів за умови їх різного завантаження. Наукова новизна. Автори вперше запропонували та обґрунтували показники енергоефективності, які дозволяють здійснювати порівняльний аналіз канатних доріг традиційної конструкції та доріг із самохідними вагонами. Визначили залежність цих показників від параметрів канатної дороги. Практична значимість. Результати проведеного порівняльного аналізу канатної дороги традиційної конструкції з дорогами, які містять самохідні вагони, за запропонова- ними показниками енергоефективності можуть бути використані для обґрунтування доцільності застосуван- ня певних видів канатних доріг з метою реалізації окремих транспортних процесів. Розроблену конструкти- вну схему самохідного вагона можна застосовувати під час розробки енергоефективних проектів пасажир- ських канатних доріг. Ключові слова: канатна дорога; енергоефективність; самохідні вагони; альтернативний транспорт; питомі енерговитрати; коефіцієнт корисної дії

REFERENCES 1. Banko, V. G. (2008) Budivli, sporudy ta obladnannia turystskykh kompleksiv: navchalnyi posibnyk (2nd ed.). Kiev: Dokor. (in Ukrainian) 2. Enerhooshchadnist. Terminy ta vyznachennia.13 DSTU 2420-94 (1994). (in Ukrainian) 3. Zhemerov, G. G., Krylov, D. S., & Mashura, A. V. (2019). Energy efficiency of the subway electrical supply system with electrical energy recovery at braking. Electrical Engineering & Electromechanics, 5, 25-31. doi: 10.20998/2074-272X.2019.5.04 (in Russian) 4. Zakon Ukrainy № 2218-VIII (2017). Vidomosti Verkhovnoyi Rady Ukrayiny. (in Ukrainian) 5. Katalog elektrodvigateley AIR. Retrieved from https://systemax.ua/elektrodvigateli/trehfaznye- obshepromyshlennye-elektrodvigateli/air/ (in Russian) 6. Kuropiatnyk, O. S. (2017). Obgruntuvannia shliakhiv pidvyshchennia enerhoefektyvnosti kanatnykh dorih, Modern methods, innovations, and experience of practical application in the field of technical sciences: Con- ference proceedings. Radom. (in Ukrainian) 7. Malybaev, S. K., & Daniyarov, A. N. (2011). Spetsialnye vidy promyshlennogo transporta. Karaganda. (in Russian) 8. Materialy internet-saitiv vyrobnykiv pidvisnykh kanatnykh dorih. Retrived from www.doppelmayr.com; skado.ru; poma.net; leitner-ropeways.com (in English) 9. NPAOP 60.2-1.02-14: Pravyla budovy i bezpechnoi ekspluatatsii pidvisnykh kanatnykh dorih. Retrieved from https://dnaop.com/html/32423/doc-%D0%9D%D0%9F%D0%90%D0%9E%D0%9F_60.2-1.02-14 (in Ukrainian) 10. Kublanov, Ye. M. (2010). UA Patent No. 54262. Kyiv: Ukrainskyi instytut intelektualnoi vlasnosti (Ukrpatent). (in Ukrainian)

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195601 © S. V. Raksha, O. S. Kuropiatnyk, O. L. Krasnoshchok, 2019

70 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ

11. Proekt Zakonu Ukrainy «Pro enerhetychnu efektyvnist». Retrieved from https://saee.gov.ua/sites/default/ files/Draft_EE_18_09_2017.docx (in Ukrainian) 12. Raksha, S. V., Kuropiatnyk, O. S., & Kurka, A. O. (2014). Substantiation of ways of decrease in power consumption of ropeways. Science аnd transport progress, 1(49), 125-131. doi: 10.15802/stp2014/22677 (in Ukrainian) 13. Formula KPD elektrodvigatelya. Retrieved from https://electric-220.ru/news/formula_kpd_ ehlektrodvigatelja/2016-10-19-1090 (in Ukrainian) 14. Scheinblit, A. E. (2002). Kursovoe proektirovanie detaley mashin: Uchebnoe Posobie. Kaliningrad. (in Russian) 15. Raksha, S., Kuropiatnyk, O., Anofriev, P., Onopreychuk, D., & Kovalov, I. (2018). Frequency analysis of vehicle drive with cable traction. MATEC Web of Conferences 230(01010). doi: 10.1051/matecconf/ 201823001010. 16. The urban cable transport magazine international. Retrieved from http://www.siurban.com/media/files/ urban2__englisch_web.pdf

Received: July 30, 2019 Accepted: Nov. 01, 2019

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195601 © S. V. Raksha, O. S. Kuropiatnyk, O. L. Krasnoshchok, 2019

71 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

UDC 625.12:625.173

B. ELLER1*, S. FISCHER2*

REVIEW OF THE MODERN BALLASTED RAILWAY TRACKS’ SUBSTRUCTURE AND FURTHER INVESTIGATIONS

Purpose. The authors’ aim is to summarize the results of relevant international publications and, based on these, to give a comprehensive review about the modern ballasted tracks’ substructure. Methodology. This article is a start of a PhD research, which means it was proceeded by a secondary research. At first, the substructure and its protection layers were summarized, after that the geosynthetic cementious composite mat materials, especially the Con- crete Canvas are discussed. Findings. The experiences of the geosynthetics’ and other protection layers’ functions, show that a possible using of the GCCM (geosynthetic cementious composite mat) under the ballast can be a good solution for renewing short sections in the railway tracks. Originality. One of the authors – namely Balázs Eller – is a PhD student at Szechenyi Istvan University in Gyor (Hungary). His research topic is the reinforcement possibilities of railway substructure with the usage of special (mainly cement-bonded) layers. This article was written to collect and summarize the up to date knowledge related to modern ballasted railway tracks’ substructure to be able to determine the following research ways and possibilities at this topic. The research plan will be sentenced in the near future, as well as the required laboratory and field tests will be prepared. Practical value. As expectation, after having executed the related research, the advantages and disadvantages of GCCM layers in the railway substructure will be able to defined, as well as factual deterioration process can be determined related to the ballasted tracks and their geometrical stability. Keywords: substructure; subgrade; ballasted track; protection layer; concrete canvas

Methodology Purpose The basis of this paper is the research in sci- The aim of this paper to summarize the experience education, and study current state-of-the-art ences about the connection between the substructure technologies. The authors studied the different ma- and superstructure, and the railway protection layers terials, the investigations with them and their be- at relevant international publications to make haviour from usability aspect. Both laboratory and a comprehensive review about the adequate tech- in situ tests are being studied. The different technologies of nowadays. After that a new possibility is nologies are being compared, for study the better being showed, which could help to reduce future and cost effective ways to use. maintenance costs. This paper deals with the bal- The railway substructure lasted tracks, because this is what was established In general almost in Hungary, and because of the weaker and The degradation process of the railway track is flexible base, the substructure fouling is more sig- a natural process. The ageing of the different types nificant here. and different materials of elements is not the same. For example, from a bad (insufficient) rail welding or rail joint, there can be increased dynamical ef- Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195831 © B. Eller, S. Fischer, 2019

72 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ fect which leads to more pumping effect and con- cause the simple ballast exchange is not enough, taminated ballast. From another aspect, the conse- very ineffective [36]. quence is the same if the problem comes from the Fouling weak soil properties or inadequate drainage. In this The major causes that may contribute to the de- complex system, all the elements influence all the velopment of subgrade problems can be catego- other elements. The degradation has to be main- rized into three groups [29]: tained, but while a welding or a rail can be  load factor, changed relative easily, the subgrade could only be  soil factor, renewed after the established of the whole super-  environmental factor (soil moisture, soil structure. So the superstructure of the railway temperature). needs permanently and adequate support from the There are two types of loads in the railways: subballast, subgrade.  the deadweight of the railway structure, If the substructure has not got enough bearing  the dynamic loads of the traffic. capacity or it has got weak soil mechanical proper- The deadweight occurs less problem than the ties, a new protection layer is needed. Otherwise, dynamical effects, but a badly constructed or de- the many speed limits that caused by the obsoleted signed embankment could cause stability or shear faults, need more excess energy that could cost bil- failure problems. The dynamical traffic loading is lions in every year [15], furthermore the maintain- a repeated, cyclic loading. The effect of the static ing of these faults also costs a lot. If the axle load and dynamic loads are different on the subgrade, is increased by 2.5 tons, the total maintenance cost even if the magnitude of the axle load is the same increased by 4.2% too [28]. If the substructure has [29]. not got enough bearing capacity and other appro- The soil factor means soils with poor priate soil mechanical properties, soil replacement (mechanical and geotechnical) characteristics, like or new protection layer is needed. That improves the fine graded soils (clay and silt). In these soils, the bearing capacity, drainage and other significant the moisture content could occur change in the tasks that are indispensable. strengthening and the permeability. Furthermore, On the other hand, the ballast layer is the other the dynamical loads on the weak soil with large important element because it connects to the sub- moisture level occur higher and faster (or in other structure and distributes the load to there. Ballast words: more extensive) degradation on the plane of and subballast contribute to protect the subgrade the subgrade. Besides that, the coarse-grained ma- from overstressing [39]. However, subballast, terials drain well, so the moisture in the subgrade is which is always needed, is preferred for complet- also lower. ing the total granular layer thickness beyond the The environmental factor contains the earlier minimum ballast layer thickness required for ful- mentioned soil moisture and the temperature, too. filling the other ballast functions. Thanks to this, The water comes by infiltration from the surface the track deformation is closely related to the and from the groundwater, as well. The moisture quality of ballast. Fouling causes accumulation of level in the substructure is different in every sea- fines between ballast particles and consequently son. If the temperature is below zero, the freeze increases the permanent deformation within the can cause more problems and faster degradation ballast layer and results in increased surface devia- process. The frost sensitivity depends on the capil- tion of railway track [8]. Fouling can also inhibit larity, the degree of irregularity and the sum of the drainage and may lead to deterioration in the me- multiplied frost days [30]. chanical properties of the medium. In the worst The adequate drainage is another important part case, mud pumping effect occurs. If the fine parti- that needs well-formed substructure crown (i.e. top cles from the subgrade is mixed with the ballast, surface), appropriate material for water spillage the way out of the water is ended (Fig. 1). This can and (relative) clean ballast. For a longer life-time, be a straight way for a water pocket (or in other protection layer is recommended which can guar- words: ballast pocket or water bag) to being antee the drainage and the bearing capacity, as formed. This problem can be hard to solve, be- well.

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195831 © B. Eller, S. Fischer, 2019

73 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

applied in many different ways. The most important geosynthetic products are the following:  geotextile (separation, filtration, dewatering in the level of the textile),  geogrid (reinforcement),  geocomposite (combined tasks),  geomembrane: dewatering, separation. According to [23], if any type of geosynthetics are laid in the fresh or the recycled ballast, the settlement and the degradation will be decreased, however the fresh material has always better char- Fig. 1. The fouling of the ballast acteristics than the recycled ones. The most rec- and the substructure [42] ommended variation, if adequate chosen geocomposite (e.g. geogrid + geotextile) is being laid, be- Improving technologies cause it increases the bearing capacity while the The generally requirements related to the sub- separation function also happens. ballast and the protection layer on it [40, 44]: Geotextiles  stress reduction, Because of the many producers, there are many  separation (preventing the mix of the fine types of geotextiles. The classical usage of these to particles and the ballast), reduce the settlement in the embankments and in-  drainage, crease the slope stability [26]. With geotextiles,  filtration, significant increasing of bearing capacity is not ex-  increase bearing-capacity (it is very isted [45]. In railway construction, geotextiles are important according to the growing axle loads), a good solution to separate the fine particles of the  frost protection, subgrade and the ballast’s particles. On the other  damping vibration. hand, in [35] was described that if the geotextile is These requirements are not featured on every being installed in the embankment, the depth protection layers. It can be talked about more pos- should be between 200-300 mm below the sleeper sibilities that are used for various work or work base and until the ballast spreading tamping is pro- steps, because of their different thicknesses, mate- hibited. rial properties or the technological instructions. Es- The experimental study [41] describes the fil- sentially, the best protection layer can solve the tration of the geotextiles. It is turned out that the perfect separation and drainage functions. The filtration is very influenced by the vertical or hori- technologies of the mechanical life are being de- zontal orientation of the geotextile. The best filter- veloped continuously, in this way the protection ing characteristics can be achieved with a well- layers are being developed also. graded soil. On the other hand, it has «worth re- The most mentionable protective layers are: sults for the configuration consisting of a vertical  coarse grained materials, sandy gravel, etc., filter filtering a horizontal flux of clayey sludge».  geosynthetics (geogrid, geotextile, Because of their synthetic base, the geotextiles geocomposit, geomembrane), have very long lifetime which helps to reduce the  asphalt concrete layer, life time cost. In [35], experiences showed from an  extruded polystyrene (XPS) foam layer. American railway track which influenced by very In this paper only the extraordinary technolo- physically harsh environment, that the geotextiles gies are being discussed. are still showing excellent durability after 18 years Geosynthetics of service life. At the railways, where the track di- The application of geosynthetics is technologi- agnostics are continuous, at many cases the geotex- cal solution that used in the building industry to re- tiles can get an aluminium sensor strip, for exam- inforce structures, create the appropriate drainage ple in every 5 meters (Fig. 2.) [18]. These alumini- or other problems to solve. There are many types um strips are detected by the georadar, so after an of geosynthetics with many functions that can be analysis, experiences can be drawn about the Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195831 © B. Eller, S. Fischer, 2019

74 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ thickness of the layers, the deformations of the These have separate function and thanks to substructure etc., which help in the further mainte- their formation, the bearing capacity is being in- nance designs [19, 20]. creased, too. On the other hand, there is no filtration, and it has no effect on drainage. Laboratory tests have been conducted, which are related to such application of geogrids in railway construc- tions where the subgrade/subsoil was not reinforced, but the ballasted bedded railway superstructure was. In these structures geogrids were placed under – and in some cases into – the ballast material. It was expected that the geogrid would clamp particles of ballast material at the bottom of the ballast; in this way the railway track would be floating in the ballast material and exposed to dynamic effects. For other vibrations the structure would be more resistant to the deformation of the Fig. 2. Geotextile with radar detected tracks. This phenomenon is the so-called interlock- aluminium strip [18] ing effect (Fig. 4.) [43]. Geogrids The interlocking effect has three different The geogrids are synthetic nets for strengthen- zones: ing a soil structure or the railway ballast. There are  unconfined zone, monoaxial, biaxial, triaxial (Fig. 3.), etc. geogrids.  transition zone, The first is oriented in just one direction, the sec-  fully confined zone. ond is oriented into both perpendicular main direc- There is the unconfined zone in the top zone tions. The principle of the triaxial geogrid is that where the reinforcement effect is not considerable. the triangular shapes can take the load from any di- The middle zone is a transition zone. The inter- rection. Thanks to this, it has the highest the rein- locking effect is increasing in non-linear way. The forcement effect [9]. The better geogrids are last, lower zone is directly at the geogrid, which is evolved by welding-thawing, because the orienta- the fully confined zone. On the upper 10 cm above tion of the loads passes through the intersections of the plane of the geogrid the interlocking effect is at the geogrid. In these intersections the tensile maximum value. The particles can not move easi- strength is nearly the same like at the crossings. ly, so the internal shear stress resistance is really These are called rigid intersections. high [15, 43]. Furthermore, based on the results of the presented multi-level shear box tests it can be seen that a geogrid with a correct aperture size can radically increase the inner shear resistance of the soil mass with an influence even 20 cm from the level of the reinforcement layer due to the effective interlocking effect [15]. This aperture size of the geogrid is very important if the best effective reinforcement should be reached. For a max. 50 mm size ballast the best aperture size was 60-80 mm [4]. A part of this is tried to confirm in [9], where “SmartRocks” were used in the ballast box to mon- itor individual ballast particle movement. In this experiment, ballast box with and without geogrid was investigated under 500 cycles, and the result Fig. 3. Geocomposit from Triax geogrid of the comparison was that the “SmartRock” in the and geotextile [34] box without geogrid had much more noticeable movement and rotation were noted. Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195831 © B. Eller, S. Fischer, 2019

75 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

ogrid provides more bearing capacity, while the geotextile provides the better separation, filtration, etc. Because of the geogrid aperture size, the mud could mix with the ballast, but the geotextile can prevent that. The attach (assembly) of the materials can be in factory or at the construction site too [45, 34]. This structure called sandwich structure. According to the [23] research’s results, the ge- ocomposits occurs less vertical settlement in the recycled ballast, even less than the fresh ballast which does not contain geocomposite. Further- more, the brakeage index was also decreased like the fresh ballast. These results are considerable consequence at the railway maintenance, because it can make longer the life-time of the ballast and the Fig. 4. The interlocking effect in the ballast [43] whole superstructure. Geomembrane In [3] also a large-scale direct shear testing was The geomembranes are continuous, elastic and made under low normal stresses. A generalised water tight synthetic plates which ensures very empirical formulation was developed from the good drainage. The tensile strength is also appro- measurement of the interface shear resistance be- priate. The most important function of the ge- tween subballast and the different types of geosyn- omembrane is the perfect drainage, because the thetics. Although, the results showed that the dif- water sensitive substructures can be defending ferent types of geosynthetics provide different in- from the rainfalls, and the moisture content in the terface shear resistance values. embankment could be effected only by the capil- In this way, in the ballast floating, dynamic larity, and the volume change of the soil could be loaded railway track will geometrically be more minimized [27]. The particles of the ballast can stable and more resistant against evolving of set- tear the interface of the geomembrane so a min. tlement faults. Stresses arise in the ribs and junc- 10 cm coarse-grained layer is needed above the tions of the geogrid due to vehicle load, the ge- plane. The thickness is normally between ogrid can offer resistance against these stresses 0.15-3.00 mm [45]. with tensile strength and low strain. Tensile Other protection layers strength should be adequate high, but failure strain Asphalt protection layer should be acceptable low, because of the load bear- Asphalt concrete is an alternative or supple- ing capacity with low strain. The latter property is ment to sand/gravel subballast materials, but the important because the geogrid should bear ade- economics will probably limit asphalt to special quate magnitude load [21]. cases [39]. It is a good alternate solution to save On the other hand, literature [4] described that the homogeneity, increasing the bearing capacity the reinforcement effect is larger if the subgrade and protecting the crown of the substructure (Fig. had soft soil, than stiff one. Nevertheless, based on 5). The technology is also a good solution in bal- [15] the ballast particles can connect to the geogrid lastless tracks. Because of its elasticity, the sup- the best way if there is sandy layer below the ge- porting is not so rigid like at the concrete slabs. ogrid, because it helps the indentation and save the The previous experiences showed that this type lower geotextile if it is existed. of protection layers can be fully adequate at the Geocomposite forming requirements of the railway track. The The geocomposite is two or more geosynthetics bearing capacity and the separation are solved that are attached together (Fig. 3). The combina- equally. At case of soils that have low E2 modulii, tions can be made from all earlier mentioned geo- considerable bearing-capacity growing happens, synthetics. For example, the geogrid and the geo- that is thanked to the better distribution of trains’ textile make correct geocomposite, cause the ge- static and dynamic loads. The bituminous binders

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195831 © B. Eller, S. Fischer, 2019

76 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ are perfectly watertight and separated, so the em- the little failures and fatigue signs can be seen easi- bankment’s soil and the ballast do not connect to ly. By these tests the fatigue life-time of the asphalt each other. It prevents many unfavourable events. was proved scientifically and officially. It was seen In this case the fine materials cannot pump up to also squarely that the failures of the roads do not the ballast so the drainage is not blocked [45]. Ac- exist under the ballast [38]. cording to Peter Veit, who is an expert of the life- time cost research, the need of the leveling-lining- tamping (LLT) works were delayed by 67%. From the connection of life-time cost and the working life, the lifetime of the superstructure was increased by 17% [37]. Furthermore, the noise levels of slab tracks are higher than tracks on asphalt pavement under train running [31]. The various hot mix asphalt is also good in damping vibrations [6, 45]. With this technology, there are very convincing international experiences from Germany, Italy, Spain, Japan, USA, etc. [10]. In Germany, there are many technological solutions in the creation of a hot mix asphalt based railway track like system Sato, Getrac, etc. [16, 17], which give very good Fig. 5. Ballasted track with asphalt subballast [10] solutions at high speed railways. These technologies are in ballastless tracks. Investigations in liter- Summarized, it can be noted that the applica- ature [17] showed that at the Getrac system the as- tion of the asphalt protection layer can be very phalted section has 50% better results than the con- multiple. The adequate support and the perfect de- trol section from the aspect of longitudinal and watering provide the sustainability; the increasing transversal movements. The continuous line walks of the axle loads or the velocity in the substructure and investigations showed that the track has no aspect. sign of fatigue and the connective cylinders were Another important aspect is the changing cli- in good condition. The maintenance experiences mate that results short and large intensity rains. were positive, too. In the case of unexpected fail- This factor will be accentuated in the sooner fu- ures like the indentation, it was easy to access the ture, because the rain damages more the top of the faulty part. It was enough to elevate the track, be- substructure. The asphalt layer gives perfect drain- cause there is no ballast to dredge it down. age, so it can be a very efficient solution [10]. In the literature [2] asphalt and concrete base XPS polystyrene slabs were compared to each other under turnouts, and Another technology which is used because of the asphalt layered turnout showed better results, its insulation ability is the XPS polystyrene slab. because it is elasticity. The article [32] described Extruded polystyrene (XPS) foam was utilised that in Japan the asphalt is used in ballastless and several times in Finland, Austria and other Europe- ballasted tracks, too. In ballasted tracks 50 mm of an countries, too. First of all, the XPS boards has asphalt subballast is being used, while in every frost protection function, but it has separation and other country 100-120 mm are the minimum thick- drainage function as well. It has very good insula- ness. This solution is applied for 30-40 years. In tion properties thanks to its good strength and wa- Hungary the experience of using 60 mm of asphalt ter resistance, which has to be adequate after the layer is inadequate, the protection layer cracked ballast particles’ mechanical damages. After soon. The solution of this contradiction has to be 40 years of service life, the materials were exam- searched at the foundations of these layers. In the ined with sufficent results [33]. USA until 2008, quality investigations were made This material has high compressive and bend- at eight sections between the age of 12 and 29. The ing strength. The hydration is negligible, so the measurements were repeated in every 2-3 years, so frost resistance of the slabs is adequate for their

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195831 © B. Eller, S. Fischer, 2019

77 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ application. Because of the long lifetime, the aging From this, other technologies like this are the and the dry-rotting are not important in this case. geosynthetic cementious composite mats (GCCM). The dead load is weak and it makes the polysty- This GCCM and textile reinforced concretes rene slabs easily workable. It can be built in the (TRC) are based of using cement impregnated fab- track structure, while the ballast cleaning ric. From functioning aspect, it is nearly the same (screening) machine is working. The boards can like the shotcrete, but easier to install, and needs move, but with serious technological discipline, the less time for application. These are comprised of failures can be eliminated. These factors make the the geotextile layers and cement powder [14]. expanded polystyrene applicable for the building These can be used for many geotechnical applica- into or below the superstructure. Previous investi- tions like ditch covering, retaining walls, soil ero- gations show that 1 cm thick polystyrene is equal sion control, slope protection, etc. [1, 5, 7, 14]. to approx. 10 cm thick original frost protection Concrete Canvas layer [34]. One of these technologies is the Concrete Can- vas (CC for short), which was invented by Brewin and Crawford in 2004, in the UK. The types of the product showed in Table 1. The material was utilised like a soft cloth in civil (slope protection, a trackway for vehicles, pedestrians or protection layer for pipe and lining) and in military engineering (prefabricated shelter) [18, 43]. The CC is barely investigated in the professional literatures yet; the only varied investigations were showed in [1, 7, 13, 22, 24, 25]. Table 1 The types of the Concrete Canvas [12]

Concrete Fig. 6. XPS specimens from the railway Concrete Mass mean Change in Product Bulk roll Roll track after 5-10 years [33] thickness (unset) density density when type -2 width (m) size (m ) -2 (unset) Several investigations were made that showed (mm) (kg*m ) set (%) (kg*m-3) the mechanical damage of the ballast stone was CC5 5 200 1 7 1430-1540 +30 to 35 maximum 10 mm (Fig. 6), the compressive defor- CC8 8 125 1,1 12 1430-1540 +30 to 35 mation was adequate, and the maximum moisture CC13 13 80 1,1 19 1430-1540 +30 to 35 content was 10-12% during their expected service life of 40 years [33]. This material can significant- As it is already discussed, Concrete Canvas is ly reduce the frozen depth and frost under the track a geosynthetic cementitious composite mat and structure, and compressive degradation was also barrier for use in a range of geotechnical applica- less under a high-speed railway [11]. tions, with minimum 50 years’ life time [12]. It is a flexible cement powder impregnated fabric (Fig. 7) Other technologies to use under investigation that hardens on hydration to form a thin, durable, The most applied technologies were discussed water proof and fire-resistant concrete layer. The in the previous chapters. Using the railway experi- mat is easy to install, because the material in non- ences of these, the following new ideas are com- bound form is easy to lay and spray by water. The ing. only problem to solve is the access to water, if the Nowadays a relative new technology, the under work area is difficult to access. At non-bound form 3 ballast mats (UBM) are being applied which in- its density is 1300-1500 kg/m because of the dry creases the elasticity. Thanks to this, vibration and cement powder. After the spraying with water, the 3 the secondary noise is being reduced, while the final density is around 1700-2000 kg/m which is ageing of the ballast particles also decreased [34]. nearly 70-80% of the ordinary concrete (2200- 3 2400 kg/m ) [5, 13]. Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195831 © B. Eller, S. Fischer, 2019

78 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

cles. Thanks to this, it is hypothesized that interlocking effect is being achieved – more or less. Further investigations will be made, to confirm the usability of the GCCMs, particularly the CC under railway loads. The examination of Concrete Canvas’ (three-point static and dynamic bending laboratory tests) are in progress. If it is used under the ballast, the mat can have deformed before the rigid state. The technology could be used at local failures, while the ballast is being exchanged (screened, cleaned), even by manual or machine ballast replacement technologies. In the case of 210 kN axle load, approximately 10 N/cm2 could be the loading on the surface of the Fig. 7. The structure of the Concrete Canvas [12] hardened CC [10, 34]. The question that has to be investigated is the CC’s behaviour in the railway Similar material is the shotcrete layer. Com- structure, because the significant loads are trans- pared to this, the CC is not just faster (shorter con- missioned from the ballast particles dynamically. struction) and easier to install, it is more cost- On the rigid CC layer, the loads would be distrib- effective too, and the environmental impact is also uted in larger zone, so the loads could be absorbed reduced [7]. easier. As described in the literature [22, 24, 25] the If the CC would be used with XPS polystyrene mechanical strength and volume stability depend slabs, the dynamical impacts could be more ab- on the geometric patterns of the material, the type sorbed, so the CC layer could be more in safe. At of fibre and the type of the cement matrix. this solution, the thickness of the frost protection The effective usage was examined in [7] with layer could be reduced, while the structure could good results. Comparing to the shotcrete, the CC’s get extra bearing capacity by the rigid CC layer. properties were faster and better or nearly the This version could be more effect at the local fail- same, so it is more suitable to be used for slope ures. protection. On the other hand, the layer is protecting the slope from rainfall, so the stability of the Findings slope also in safe. In [1] the application design in soil reinforced structure was discussed. The whole The adequate support is a fundamental part of construction process is considerably shorter, be- the railway tracks. Because of it, there are many cause after the CC wall reached the 70% of the fi- good technologies to use, while others are under nal strength. It is nearly 24 hours [5]. After the wa- development. The authors’ main purpose is to inter spraying the backfill can be filling back in few vestigate the GCCM technology, how it can be ap- days. plied on the railway substructure to earn more life Application in railway layer structures time to the sub- and superstructure. The CC may also have potential application as From the experiences which was drawn in the a rigid railway protective layer. Summing the ad- article, it is hypothesized that the CC and other vantages of the geosynthetics, it is seen that their GCCM layer could be even or better than the geo- functions in the railway structure is nearly the synthetics, and the local track failures (moisture same what the geosynthetic cementitious compo- problems in the substructure, muddy ballast, etc.) site mats can provide under the ballast. If it is used could be solved. under the superstructure, it can function like geotextile, geomembrane and geogrid at the same Originality and practical value time. Furthermore, if the mat hardens after that the As the authors introduced, there are a lot of ballast was already replaced, the deformed mat will possible technologies that are or can be adequate become rigid while taking the shape of the parti- for improving the insufficient railway substruc-

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195831 © B. Eller, S. Fischer, 2019

79 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

tures, i.e. solve some of the problems related to e.g. bilities at this topic. The research plan will be sen- railway embankments. These problems can be load tenced in the near future, as well as the required bearing capacity problems due to dewatering or laboratory and field tests will be prepared. As ex- material (soil) property inadequacies (e.g. density, pectation, after having executed the related re- strength, stress state, shearing characteristics, etc.). search, the advantages and disadvantages of These problems have to be solved. GCCM layers in the railway substructure will be One of the authors – namely Balázs Eller – is able to defined, as well as factual deterioration a PhD student at Széchenyi István University in process can be determined related to the ballasted Győr (Hungary). His research topic is the rein- tracks and their geometrical stability. forcement possibilities of railway substructure with the usage of special (mainly cement-bonded) lay- Acknowledgements ers. This article was written to collect and summa- The publishing of this paper was supported by rize the up to date knowledge related to modern EFOP 3.6.1-16-2016-00017 project. ballasted railway tracks’ substructure to be able to determine the following research ways and possi-

LIST OF REFERENCE LINKS 1. Application design of concrete canvas (CC) in soil reinforced structure / H. Li, H. Chen, L. Liu, F. Zhang, F. Han, T. Lv, W. Zhang, Y. Yang // Geotextiles and Geomembranes. – 2016. – Vol. 44. – Iss. 4. – P. 557– 567. doi: 10.1016/j.geotexmem.2016.03.003 2. Berg, G. Langzeituntersuchungen von Weichen auf Fester Fahrbahn / G. Berg, T. Anker, S. Dehne // ZEVrail Glasers Annalen – 2004. – Vol. 1. – P. 84–97. 3. Biabani, M. M. An evaluation of the interface behaviour of rail subballast stabilised with geogrids and geomembranes / M. M. Biabani, B. Indraratna // Geotextiles and Geomembranes. – 2015. – Vol. 43. – Iss. 3. – P. 240–249. doi: 10.1016/j.geotexmem.2015.04.002 4. Brown, S. F. Identifying the key parameters that influence geogrid reinforcement of railway ballast / S. F. Brown, J. Kwan, N. H. Thom // Geotextiles and Geomembranes. – 2007. – Vol. 25. – Iss. 6. – P. 326–335. doi: 10.1016/j.geotexmem.2007.06.003 5. Concrete Canvas Ltd [Electronic resource] / Available at: https://www.concretecanvas.com – Accessed: 15.11.2019. 6. D’Andrea, A. Vibration induced by rail traffic: evaluation of attenuation properties in a bituminous sub-ballast layer / A. D’Andrea, G. Loprencipe, E. Xhixha // Procedia-Social and Behavioral Sciences. – 2012. – Vol. 53. – P. 245–255. doi: 10.1016/j.sbspro.2012.09.877 7. Design and construction application of concrete canvas for slope protection / H. Li, H. Chen, X. Li, F. Zhang // Powder Technology. – 2018. – Vol. 344. – P. 937–946. doi: 10.1016/j.powtec.2018.12.075 8. Ebrahimi, A. Maintenance Model for Railway Substructure / A. Ebrahimi, J. M. Tinjum, T. B. Edil // Ge- otechnical Engineering Journal of the SEAGS & AGSSEA. – 2014. – Vol. 45. – No. 1. – P. 48–55. 9. Effect of geogrid on railroad ballast studied 2 by “SmartRock” / L. Shushu, H. Huang, T. Qiu, J. Kwon // Transportation Research Board Annual Meeting : Conference paper (2016, Washington D. C.). – Washington, 2016. – P. 1–14. 10. Eller, B. Efficiency of the asphalt protection layer, cataloguing of its failures and technological suggestion for the renewing of the Dombóvár-Godisa railway track section / B. Eller // Dissertation submitted for the degree of Master of Science in Engineering Mechanics. – Széchenyi István University. – Győr, 2016. 11. Engineering Test Research of XPS Insulation Structure Applied in High Speed Railway of Seasonal Frozen Soil Roadbed / D. Cai, H. Yan, J. Yao, Y. Cui, F. Chen // Procedia Engineering. – 2016. – Vol. 143. – P. 1519–1526. doi: 10.1016/j.proeng.2016.06.179 12. European Technical Assessment ETA-19/0086 (2019) [Electronic resource] / British Board of Agrément // Available at: http://szebeton.hu/new/images/resources/Eta-europai_muszaki_ertekeles19_0086i1.pdf – Ac- cessed: 15.11.2019. 13. Experimental study of the mechanical behavior of FRP-reinforced concrete canvas panels / F. Zhang, H. Chen, X. Li, H. Li, T. Lv, W. Zhang, Y. Yang // Composite Structures. – 2017. – Vol. 176. – P. 608–616. doi: 10.1016/j.compstruct.2017.05.072 Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195831 © B. Eller, S. Fischer, 2019

80 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

14. Finite element analysis of tensile and puncture behaviours of geosynthetic cementitious composite mat (GCCM) / T. Jirawattanasomkul, N. Kongwang, P. Jongvivatsakul, S. Likitlersuang // Composites Part B: En- gineering. – 2019. – Vol. 165. – P. 702–711. doi: 10.1016/j.compositesb.2019.02.037 15. Fischer, Sz. A vasúti zúzottkő ágyazat alá beépített georácsok vágánygeometriát stabilizáló hatásának vizsgá- lata (in Hungarian) : PhD thesis : Civil Engineering / Szabolcs Fisher ; Széchenyi István Egyetem. – Győr, 2012. – 148 p. doi: 10.13140/RG.2.1.4958.9921 16. Frenzel, Jürgen. Vier Jahrzehnte Feste Fahrbahn System Sato auf Asphalttragschicht / Jürgen Frenzel, Jörg Frenzel // Der Eisenbahningenieur. – 2010. – Vol. 61. – No. 9. – P. 54–62. 17. Freudenstein, S. Feste Fahrbahn auf Asphalt – System GETRAC nach 10 Jahren Betrieb / S. Freudenstein, B. Ripke // ETR-Eisenbahntechnische Rundschau. – 2007. – Vol. 9. – P. 539–544. 18. Gönczi, E. Radarral detektálható geotextília alkalmazása a vasúti alépítményben / E. Gönczi // Sínek Világa. – 2014. – Vol. 56. – No. 3. – P. 21–24. 19. Gönczi, E. Radarral detektálható geotextília diagnosztikai tapasztalatai / E. Gönczi, E. Sándorné Óré // Sínek Világa. – 2016. – Vol. 58. – No. 3. – P. 23–26. 20. Gönczi, E. Radarral detektálható geotextília diagnosztikai tapasztalatai. 2 rész / E. Gönczi, E. Sándorné Óré // Sínek Világa. – 2017. – Vol. 59. – No. 5. – P. 29–33. 21. Horvát, F. Evaluation of railway track geometry stabilisation effect of geogrid layers under ballast on the basis of laboratory multi-level shear box tests / F. Horvát, Sz. Fischer, Z. Major // Acta Technica Jaurinensis. – 2013. – Vol. 6. – No. 2. – P. 21–44. 22. Improvement of mechanical properties of concrete canvas by anhydrite-modified calcium sulfoaluminate cement / F. Han, H. Chen, X. Li, B. Bao, T. Lv, W. Zhang, W. Hui Duan // Journal of Composite Materials. – 2015. – Vol. 50. – No. 14. – P. 1937–1950. doi: 10.1177/0021998315597743 23. Indraratna, B. Stabilisation of granular media and formation soil using geosynthetics with special reference to railway engineering / B. Indraratna, M. A. Shahin, W. Salim // Proceedings of the Institution of Civil Engi- neers-Ground Improvement. – 2007. – Vol. 11. – Iss. 1. – P. 27–44. doi: 10.1680/grim.2007.11.1.27 24. Influence of 3D spacer fabric on drying shrinkage of concrete canvas / F. Han, H. Chen, W. Zhang, T. Lv, Y. Yang // Journal of Industrial Textiles. – 2016. – Vol. 45. – No. 6. – P. 1457–1476. doi: 10.1177/1528083714562087 25. Influences of geometric patterns of 3D spacer fabric on tensile behavior of concrete canvas / F. Han, H. Chen, K. Jiang, W. Zhang, T. Lv, Y. Yang // Construction and Building Materials. – 2014. – Vol. 65. – P. 620–629. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2014.05.041 26. Innovative approach in the use of geotextiles for failures prevention in railway embankments / C. Fuggini, D. Zangani, A. Wosniok, K. Krebber, P. Franitza, L. Gabino, F. Weigand // Transportation Research Proce- dia. – 2016. – Vol. 14. – P. 1875–1883. doi: 10.1016/j.trpro.2016.05.154 27. Kézdi, Á. Közlekedési földművek víztelenítése / Á. Kézdi, I. Markó // Műszaki Könyvkiadó. – Budapest, 1974. – 298 p. 28. Larsson, D. A Study of the Track Degradation Process Related to Changes in Railway Traffic : Licentiate The- sis / D. Larsson / Luleå University of Technology. – Luleå, 2004. – 53 p. 29. Li, D. Evaluation of Railway Subgrade Problems / D. Li, E.T. Selig // Transportation research Record. – 1994. – No. 1489. – P. 17–23. 30. Lichtberger, B. Track compendium: Formation, Permanent Way, Maintenance, Economics / В. Lichtberger. – Hamburg : Eurailpress Tetzlaff-Hestra GmbH & Co, 2005. – 634 р. 31. Momoya, Y. Development of Solid Bed Track on Asphalt Pavement / Y. Momoya, T. Horikee, K. Ando // Quarterly Report of RTRI. – 2002. – Vol. 43. – Iss. 3. – P. 113–118. doi: 10.2219/rtriqr.43.113 32. Momoya, Y. New Railway Roadbed Design / Y. Momoya // Railway Technology Avalanche. – 2007. – Vol. 20. – P. 118. 33. Nurmikolu, A. Extruded polystyrene (XPS) foam frost insulation boards in railway structures / A. Nurmikolu A., P. Kolisoja // 16th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering : Conference paper (Osaka, Japan, 12 – 16 September 2005). – Osaka, 2005. – P. 1761–1764. doi: 10.3233/978-1-61499-656-9-1761 34. Railway Construction / Sz. Fischer, B. Eller, Z. Kada, A. Németh // Universitas-Győr Nonprofit Kft. – 2015. – 334 p. 35. Raymond, G. P. Railway rehabilitation geotextiles / G.P. Raymond // Geotextiles and Geomembranes. – 1999. – Vol. 17. – Iss. 4. – P. 213–230. doi: 10.1016/s0266-1144(99)00002-3

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195831 © B. Eller, S. Fischer, 2019

81 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

36. Remediation of Mud Pumping on a Ballasted Railway Track / A. Hudson, G. Watson, L. Le Pen, W. Powrie // Procedia Engineering. – 2016. – Vol. 143 – P. 1043–1050. doi: 10.1016/j.proeng.2016.06.103 37. Rose, J. International design practices, applications, and performances of asphalt/bituminous railway trackbeds / J. Rose, P. Teixeira, P. Veit // Georail 2011: International symposium railway geotechnical engineering (Cité des Sciences, Paris, France, 2011). – Paris, 2011. – P. 1–23. 38. Rose, J. Long-Term Assessment of Asphalt Trackbed Component Materials’ Properties and Performance / J. Rose, H. M. Lees // AREMA Annual Conference: Conference Paper. – Salt Lake City, 2008. – P. 1–26. 39. Selig, E. T. Track Substructure Maintenance-From Theory to Practice / E. T. Selig, D. D. Cantrell // American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association Annual Conference : Conference paper (Chicago, Illinois, September, 2001). – Chicago, 2001. – P. 1–15. 40. Selig, E. T. Track geotechnology and substructure management / Selig, E. T, Waters, J. M. – London, 1994. – 456 p. 41. Stoltz, G. Comparison of the behaviour of various geotextiles used in the filtration of clayey sludge: An experimental study / G. Stoltz, P. Delmas, C. Barral // Geotextiles and Geomembranes. – 2019. – Vol. 47. – Iss. 2. – P. 230–242. doi: 10.1016/j.geotexmem.2018.12.008 42. Szengofszky, O. Hogyan szüntessük meg a lassújeleket? / O. Szengofszky // Sínek Világa. – 2014. – Vol. 3. – P. 37–39. 43. Tensar Brochure. Mechanical stabilisation of track ballast and sub-ballast [Electronic resource] /. Tensar Inter- national Limited Units, Blackburn, UK. // Available at: www.tensar.hu – Accessed: 15.11.2019. 44. Utasítás: Vasúti alépítmény tervezése, építése, karbantartása és felújítása / Magyar Államvasutak ZRT. – Bu- dapest, 2014. – 279 с. 45. Vasútépítés és pályafenntartás I–II / I. Mezei, F. Horváth (eds.) ; Magyar Államvasutak ZRT. – Budapest, 1999.

Б. EЛЛЕР1*, С. ФІШЕР2*

ОГЛЯД НИЖНЬОЇ БУДОВИ СУЧАСНИХ ЗАЛІЗНИЧНИХ КОЛІЙ З БАЛАСТНИМ ШАРОМ І ПОДАЛЬШІ ДОСЛІДЖЕННЯ

Мета. Основна мета цього дослідження – узагальнити результати відповідних міжнародних публікацій і на їх основі дати вичерпний огляд нижньої будови сучасних залізничних колій з баластним шаром. Методика. Ця стаття є початком аспірантського дослідження; відповідно існує друга частина дослідження. Спочатку автори підводять підсумки досліджень про нижню будову колії та її захисні шари, після чого аналізують матеріали геосинтетичного цементного складеного мата, особливо – бетонне полотно. Результати. Досвід використання функцій геосинтетичних та інших захисних шарів показує, що можливе використання геосинтетичного цементного складеного мата (ГЦСМ) під баластним шаром може стати хо- рошим рішенням для поновлення коротких ділянок залізничних колій. Наукова новизна. Один з авторів, а саме Балаш Еллер, є аспірантом в Університеті Іштвана Сечені у Дьєрі (Угорщина). Тема його досліджен- ня – можливість зміцнення нижньої будови залізничної колії з використанням спеціальних (переважно це- ментних) шарів. Ця стаття була написана для збору та узагальнення нових знань про нижню будову сучас- них баластних шарів залізничних колій, щоб можна було визначити наступні шляхи та можливості дослі- дження цієї теми. План досліджень буде сформульовано найближчим часом, також будуть підготовлені не- обхідні лабораторні та польові випробування. Практична значимість. Як і очікувалося, після проведення відповідних досліджень можна буде визначити переваги й недоліки використання шарів ГЦСМ у нижній будові залізничних колій, а також визначити фактичний процес зносу, пов’язаний із баластними коліями та їх геометричною стабільністю. Ключові слова: нижня будова колії; земляне полотно; колія з баластним шаром; захисний шар; бетонне полотно

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195831 © B. Eller, S. Fischer, 2019

82 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

Б. ЭЛЛЕР1*, С. ФИШЕР2*

ОБЗОР НИЖНЕГО СТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПУТЕЙ С БАЛЛАСТНЫМ СЛОЕМ И ДАЛЬНЕЙШИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Цель. Основная цель данного исследования – обобщить результаты соответствующих международных публикаций и на их основе дать исчерпывающий обзор нижнего строения современных железнодорожных путей с балластным слоем. Методика. Данная статья представляет собой начало аспирантского исследова- ния; соответственно существует вторая часть исследования. Сначала авторы подводят итоги исследований о нижнем строении пути и его защитных слоях, после чего они анализируют материалы геосинтетического цементного составного мата, в особенности – бетонное полотно. Результаты. Опыт использования функций геосинтетических и других защитных слоев показывает, что возможное использование геосинтетического цементного составного мата (ГЦСМ) под балластным слоем может стать хорошим решением для обновле- ния коротких участков железнодорожных путей. Научная новизна. Один из авторов, а именно Балаш Эллер, является аспирантом в Университете Иштвана Сечени в Дьере (Венгрия). Тема его исследования – возможность укрепления нижнего строения железнодорожного пути с использованием специальных (преимущественно цементных) слоев. Данная статья была написана для сбора и обобщения новейших знаний о нижнем строении современных балластных слоёв железнодорожных путей, чтобы можно было определить следующие пути и возможности исследования этой темы. План исследований будет сформули- рован в ближайшее время, также будут подготовлены необходимые лабораторные и полевые испытания. Практическая значимость. Как и ожидалось, после выполнения соответствующих исследований можно будет определить преимущества и недостатки использования слоев ГЦСМ в нижнем строении железнодо- рожного пути, а также определить фактический процесс износа, связанный с балластными путями и их гео- метрической стабильностью. Ключевые слова: нижнее строение пути; земляное полотно; путь с балластным слоем; защитный слой; бе- тонное полотно

REFERENCES 1. Li, H., Chen, H., Liu, L., Zhang, F., Han, F., Lv, T., … & Yang, Y. (2016). Application design of concrete canvas (CC) in soil reinforced structure. Geotextiles and Geomembranes, 44(4), 557–567. doi: 10.1016/j.geotexmem.2016.03.003 (in English) 2. Berg, G., Anker, T., & Dehne, S. (2004). Langzeituntersuchungen von Weichen auf Fester Fahrbahn. ZEVrail Glasers Annalen, 1, 84-97. (in German) 3. Biabani, M. M., & Indraratna, B. (2015). An evaluation of the interface behaviour of rail subballast stabilised with geogrids and geomembranes. Geotextiles and Geomembranes, 43(3), 240-249. doi: 10.1016/j.geotexmem.2015.04.002 (in English) 4. Brown, S. F., Kwan, J., & Thom, N. H. (2007). Identifying the key parameters that influence geogrid reinforcement of railway ballast. Geotextiles and Geomembranes, 25(6), 326-335. doi: 10.1016/j.geotexmem.2007.06.003 (in English) 5. Concrete Canvas Ltd. Retrieved from https://www.concretecanvas.com. 6. D’Andrea, A., Loprencipe, G., & Xhixha, E. (2012). Vibration induced by rail traffic: evaluation of attenuation properties in a bituminous sub-ballast layer. Procedia-Social and Behavioral Sciences, 53, 245-255. doi: 10.1016/j.sbspro.2012.09.877 (in English) 7. Li, H., Chen, H., Li, X., & Zhang, F. (2018). Design and construction application of concrete canvas for slope protection. Powder Technology, 344, 937-946. doi: 10.1016/j.powtec.2018.12.075 (in English)

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195831 © B. Eller, S. Fischer, 2019

83 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

8. Ebrahimi, A., Tinjum, J. M., & Edil, T. B. (2014). Maintenance Model for Railway Substructure. Geotechnical Engineering Journal of the SEAGS & AGSSEA, 45(1), 48-55. 9. Shushu, L., Huang H., Qiu T., & Kwon, J. (2016). Effect of geogrid on railroad ballast studied 2 by «Smar- tRock». Transportation Research Board Annual Meeting : Conference paper (2016, Washington D. C.). Washington, D.C., 1-14. 10. Eller, B. (2016). Efficiency of the asphalt protection layer, cataloguing of its failures and technological suggestion for the renewing of the Dombóvár-Godisa railway track section. Dissertation submitted for the degree of Master of Science in Engineering Mechanics. Széchenyi István University. 11. Cai, D., Yan, H., Yao, J., Cui, Y., & Chen, F. (2016). Engineering Test Research of XPS Insulation Structure Applied in High Speed Railway of Seasonal Frozen Soil Roadbed. Procedia Engineering, 143, 1519-1526. doi: 10.1016/j.proeng.2016.06.179 (in English) 12. European Technical Assessment ETA-19/0086 (2019). British Board of Agrément. Retrieved from http://szebeton.hu/new/images/resources/Eta-europai_muszaki_ertekeles19_0086i1.pdf. (in English) 13. Zhang, F., Chen, H., Li, X., Li, H., Lv, T., Zhang, W., & Yang, Y. (2017). Experimental study of the mechanical behavior of FRP-reinforced concrete canvas panels. Composite Structures 176, 608-616. doi: 10.1016/j.compstruct.2017.05.072 (in English) 14. Jirawattanasomkul, T., Kongwang, N., Jongvivatsakul, P., & Likitlersuang, S. (2019). Finite element analysis of tensile and puncture behaviours of geosynthetic cementitious composite mat (GCCM). Composites Part B: Engineering, 165, 702-711. doi: 10.1016/j.compositesb.2019.02.037 (in English) 15. Fischer Sz., & Széchenyi I. E. A vasúti zúzottkő ágyazat alá beépített georácsok vágánygeometriát stabilizáló hatásának vizsgálata. PhD thesis. Civil Engineering. Győr, 2012. 148 p. doi: 10.13140/RG.2.1.4958.9921 (in Hungarian) 16. Frenzel, Jürgen, & Frenzel, Jörg. (2010). Vier Jahrzehnte Feste Fahrbahn System Sato auf Asphalttragschicht. Der Eisenbahningenieur in German, 61(9), 54-62. (in German) 17. Freudenstein, S., & Ripke, B. (2007). Feste Fahrbahn auf Asphalt – System GETRAC nach 10 Jahren Betrieb. ETR-Eisenbahntechnische Rundschau, 9, 539-544. (in German) 18. Gönczi, E. (2014). Radarral detektálható geotextília alkalmazása a vasúti alépítményben. Sínek Világa, 56(3), 21-24. (in Hungarian) 19. Gönczi, E., & Sándorné Óré, E. (2016). Radarral detektálható geotextília diagnosztikai tapasztalatai. Sínek Világa, 58(3), 23-26. (in Hungarian) 20. Gönczi, E., & Sándorné Óré, E. (2016). Radarral detektálható geotextília diagnosztikai tapasztalatai. 2 rész. Sínek Világa, 59(5), 29-33. (in Hungarian) 21. Horvát, F., Fischer, Sz., & Major Z. (2013). Evaluation of railway track geometry stabilisation effect of geogrid layers under ballast on the basis of laboratory multi-level shear box tests. Acta Technica Jaurinensis, 6(2), 21-44. (in English) 22. Han, F., Chen, H., Li, X., Bao, B., Lv, T., Zhang, W., & Hui Duan, W. (2015). Improvement of mechanical properties of concrete canvas by anhydrite-modified calcium sulfoaluminate cement. Journal of Composite Materials, 50(14), 1937-1950. doi: 10.1177/0021998315597743 (in English) 23. Indraratna, B., Shahin, M. A., & Salim, W. (2007). Stabilisation of granular media and formation soil using geosynthetics with special reference to railway engineering. Journal of Ground Improvement Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Ground Improvement, 11(1), 27-44. doi: 10.1680/grim.2007.11.1.27 (in English) 24. Han, F., Chen, H., Zhang, W., Lv, T., & Yang, Y. (2016). Influence of 3D spacer fabric on drying shrinkage of concrete canvas. Journal of Industrial Textiles, 45(6), 1457-1476. doi: 10.1177/1528083714562087 (in English) 25. Han, F., Chen, H., Jiang, K., Zhang, W., Lv, T., & Yang, Y. (2014). Influences of geometric patterns of 3D spacer fabric on tensile behavior of concrete canvas. Construction and Building Materials, 65, 620-629. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2014.05.041 (in English) 26. Fuggini, C., Zangani, D., Wosniok, A., Krebber, K., Franitza, P., Gabino, L., & Weigand, F. (2016). Innova- tive approach in the use of geotextiles for failures prevention in railway embankments. Transportation Re- search Procedia, 14, 1875-1883. doi: 10.1016/j.trpro.2016.05.154 (In English) 27. Kézdi, Á., & Markó, I. (1974). Közlekedési földművek víztelenítése. Műszaki Könyvkiadó. (in Hungarian) 28. Larsson, D. (2004). A Study of the Track Degradation Process Related to Changes in Railway Traffic. Luleå University of Technology, Luleå. (in English)

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195831 © B. Eller, S. Fischer, 2019

84 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

29. Li, D., & Selig, E. T. (1994). Evaluation of Railway Subgrade Problems. Transportation research Record, 1489, 17-23. (in English) 30. Lichtberger, B. (2005). Track compendium: Formation, Permanent Way, Maintenance, Economics. Hamburg: Eurailpress Tetzlaff-Hestra GmbH & Co. (in English) 31. Momoya, Y., Horikee, T., & Ando, K. (2002). Development of Solid Bed Track on Asphalt Pavement. Quar- terly Report of RTRI, 43(3), 113-118. doi: 10.2219/rtriqr.43.113 (in English) 32. Momoya, Y. (2007). New Railway Roadbed Design. Railway Technology Avalanche, 20, 118. (in English) 33. Nurmikolu, A., & Kolisoja, P. (2005). Extruded polystyrene (XPS) foam frost insulation boards in railway structures. 16th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 1761-1764. doi: 10.3233/978-1-61499-656-9-1761 (in English) 34. Fischer, Sz., Eller, B., Kada, Z., & Németh, A. (2015). Railway Construction. Universitas-Győr Nonprofit Kft. (in English) 35. Raymond, G. P. (1999). Railway rehabilitation geotextiles. Geotextiles and Geomembranes, 17(4), 213-230. doi: 10.1016/s0266-1144(99)00002-3 (in English) 36. Hudson, A., Watson, G., Le Pen, L., & Powrie, W. (2016). Remediation of Mud Pumping on a Ballasted Rail- way Track. Procedia Engineering, 143, 1043-1050. doi: 10.1016/j.proeng.2016.06.103 (in English) 37. Rose, J., Teixeira, P., & Veit, P. (2011). International design practices, applications, and performances of asphalt/bituminous railway trackbeds. Georail 2011: International symposium railway geotechnical engineering, Paris, 1-23. (in English) 38. Rose, J., & Lees, H. M. (2008). Long-Term Assessment of Asphalt Trackbed Component Materials’ Properties and Performance. AREMA Annual Conference: Conference Paper, Salt Lake City, Utah, 1-26. 39. Selig, E. T., & Cantrell, D. D. (2001). Track Substructure Maintenance-From Theory to Practice. American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association Annual Conference: Conference paper. Chicago, 1-15. (in English) 40. Selig, E. T, & Waters, J. M. (1984). Track geotechnology and substructure management. London. (in English) 41. Stoltz, G., Delmas P., & Barral, C. (2019). Comparison of the behaviour of various geotextiles used in the filtration of clayey sludge. Geotextiles and Geomembranes, 47(2), 230-242. doi: 10.1016/j.geotexmem.2018.12.008 (in English) 42. Szengofszky, O. (2009). Hogyan szüntessük meg a lassújeleket? Sínek Világa, 3, 37-39. (in Hungarian) 43. Tensar Brochure (2010). Mechanical stabilisation of track ballast and sub-ballast. Tensar International Limited Units, Blackburn, UK. Retrieved from www.tensar.hu. (in Hungarian) 44. Utasítás: Vasúti alépítmény tervezése, építése, karbantartása és felújítása. Magyar Államvasutak ZRT. Buda- pest, 2014. (in Hungarian) 45. Vasútépítés és pályafenntartás I-II. Magyar Államvasutak ZRT. – Budapest, 1999. (in Hungarian)

Received: August 02, 2019 Accepted: November 14, 2019

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195831 © B. Eller, S. Fischer, 2019

85 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

UDC 625.143.46:678.5-026.569

A. NEMETH1*, I. FEKETE2*, S. SZALAI3*, S. FISCHER4*

1*Dep. «Transport Infrastructure and Water Resources Engineering», Szechenyi Istvan University, Egyetem Sq., 1, Gyor, Hungary, 9026, tel. + 36 (96) 613 544, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-3477-6902 2*Dep. «Materials Science and Technology», Szechenyi Istvan University, Egyetem Sq., 1, Gyor, Hungary, 9026, tel. + 36 (96) 613 582, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-1835-7000 3*Dep. «Vehicle Manufacturing», Szechenyi Istvan University, Egyetem Sq., 1, Gyor, Hungary, 9026, tel. + 36 (96) 613 689, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-6440-1135 4*Dep. «Transport Infrastructure and Water Resources Engineering», Szechenyi Istvan University, Egyetem Sq., 1, Gyor, Hungary, 9026, tel. + 36 (96) 613 544, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-7298-9960

SUPPLEMENTARY LABORATORY INVESTIGATIONS OF MODERN PLASTIC-POLYMER FISHPLATES FOR RAIL JOINTS

Purpose. The authors’ goal is to determine the behavior of insulated rail joints with polymer-composite fishplates without glueing in the consideration of dynamic loadings regarding to own laboratory tests. In this paper they introduce the applied measurement opportunities. Methodology. Dynamic (fatigue) bending tests were performed by insulated rail joints assembled with plastic-polymer fishplates. The special laboratory measurements are related to digital picture/video measurement technique and assessment method executed by GOM hardware and software, as well as computer tomography according to laboratory bending tests. Findings. In previous papers the authors published the results of glued-insulated rail joints, in this period they continued their research with the investigation of rail joints with plastic-polymer fishplates without glueing. They tested two different types of rail fishplates made of plastic-polymer material. For the rail joints with fishplates but without glueing, the authors applied special measurement techniques by GOM products (Tritop, Aramis) that enable high precision digital measurement techniques with spectacular visualization results. The computer tomography records ensure the opportunity to be able to receive information about inner crackings and faults of plastic-polymer fishplates, with also high precision measurements. The assessment method has to be developed for these specific measurement methodologies to be able to compare the results and define scientific statements. Originality. Up to now any researcher and research group have been dealing with insulated rail joints with special plastic-polymer fishplates without glueing applied mentioned special techniques, no one determined the exact deterioration process of these joints, as well as the crack growing phenomenon in the cross section of the fishplates. Practical value. The research team of the authors had the possibility to see into the details of glass-fibre reinforced resin bonded plastic fishplates during laboratory tests, as well as they publish timely information in the consideration of their laboratory tests’ results. This result can be applied in railway engineering at all stages: design, construction, maintenance&operation in the future. Keywords: laboratory tests; glass-fibre reinforced plastic; fishplate; rail joint; glue

Composite materials or composites are useful Purpose materials produced from two or more components The authors’ aim is to define the behavior of with very different physical and chemical insulated rail joints with glass-fibre reinforced characteristics. New material can be made with plastic fishplates, as well as with and without glue compound of these parts. Therefore individual material (between rails and fishplates) regarding to characteristics are able to be guaranteed by static and dynamic loadings in the consideration of combination of these components [30]. From other own laboratory tests. viewpoint: composite material can be given as In the authors’ previous article [43] the purpose a combination of a matrix and a reinforcement, and working mechanism of glued-insulated rail which when mixed enable properties better to the joints were determined. properties of the individual parts. In the case of Now the special information related to plastic- a composite, the reinforcement is the so called polymer material and structures is shortly fibres and is applied to strenghten the matrix in summarized. terms of strength and stiffness [49].

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

86 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

In the aspect of composite materials several  weakness (in case of unidirectional glass- structures can be differentiated [33]: fibre reinforced plastic) [21],  particle-reinforced,  anisotropic and non-homogeneous direction- o large particle, al qualities [47], o dispersion-strengthened,  brittle behaviour [47],  fibre-reinforced  it needs special machining technology [10, o continuous (aligned), 19, 26, 30] and special tools because of e.g. lami- o discontinuous (short), nating problems during boring, milling, grinding . aligned, and cutting: . random oriented, o CVD (chemical vapor deposition) dia-  structural mond coated tools and milling tools [32], o laminates, o water jet cutting, CO2 jet cutting [32], o sandwich panels. o high speed cutting [32], Fibre material can be the followings [19, 31]: o laser cutting [19], carbon dioxide (CO2) o glass, laser, neodymium-doped yttrium aluminium o carbon, garnet (Nd:YAG) laser fibre and disk lasers for o aramid, cutting [19], o basalt, o CNC milling [52], o etc. o HSS and carbide drill bit [52], In case of the authors’ research the material of o PCD (poly crystalline diamond) [33], railway fishplates is glass-fibre reinforced resin- o making holes with fine blanking proce- bonded plastic, in that the reinforcement is glass- dure instead of boring [12], fibre, the matrix is resin. o ultrasonic drilling, laser drilling and wa- The advantages of glass-fibre reinforced plastic ter-jet drilling [12], are the followings (compared to other materials): o grinding with CBN wheel in dry condi-  high strength [11, 26], tion, and with synthetic and emulsion coolants  high specific modulus of elasticity [11, 33], [18].  low weight [10, 11, 26, 33], Glass-fibre reinforced plastic materials can be  high strength to weight ratio [19, 28], applied in many fields:  high stiffness to weight ratio [28],  car (vehicle) industry [13],  better impact characteristics [28],  aircraft industry [13, 30],  high damping [12],  aerospace industry [13, 15, 32],  low thermal expansion [12],  marine application [15, 52], naval industries  good corrosion resistance [13, 19, 28, 33], [9],  good moisture resistance [19],  machine industry [30, 47],  good resistance to heat and cold [19],  oil industries [33]  good electrical insulation [15, 19, 21],  defense indusrty [15],  nonmagnetic [21],  electrical industry [15],  good thermal insulation [15, 19],  electronic industry [15],  resistance to chemical and microbiological  in seawater and sea sand concrete environ- attacks [10], ment [31],  good dimensional stability [12, 19],  subsea and offshore application [29],  design flexibility [28],  transport sector [15],  recyclable [45, 46],  agriculture and food industries [15],  cost-effectiveness [10, 18, 19, 26].  medical devices [13], There are some disadvantages:  sport goods [33], sport equipments [12],  more expensive than traditional materials  public health [15], [13],  housing [15],  pipes [23], Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

87 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

 surveillance equipment [21],  FEM modelling [27],  other special structures:  FEM: predict the anisotropy and non-linear o lightweight footbridge [21], behaviour of glass fibre reinforced plastics [9], o military footbridge [22],  FEM and Digital Image Correlation (DIC) o asphalt pavements [25], and strain maps in the test samples [47], o orthotropic steel bridge surfacings [25], In previous research period the authors pub- o composite floor system [14], lished their results related to the areas below [24, o rotor blades of wind turbine [16], 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44]: o wind power plant [52],  laboratory tests: o railway bogies [27], o static shearing tests of glue material, o many civil engineering applications [8, o static 3-point bending tests of glued- 13], insulated rail joints with steel and polymer- o etc. composite fishplates, as well as with plastic Here are some methods applied during research fishplates but without glueing, related to glass-fibre materials: o dynamic (fatigue) tests of glued-insulated  laboratory tests (mechanical tests rail joints with steel and polymer-composite with/without accelerated corrosion tests, etc.): fishplates, o accelerated corrosion tests, different pH o axial pulling tests of glued insulated rail and temperatures, different durations [31] to joints with polymer-composite fishplates, test the long-term durability of basalt- and  field tests in real railway tracks: glass-fibre reinforced polymer bars in seawater o evaluation of diagrams of track geometry and sea sand concrete (SWSSC) environment, recording car, o scanning electron microscope [31], o straightness tests executed by o X-ray tests [31], STRAIGHT-EDGE tool. o energy dispersive X-ray spectroscopy In this new research period the authors deal (EDS) [31], with only plastic-polymer fishplates in insulated o tensile and Differential Scanning Calo- rail joints, i.e. without glueing. There will be tests rimetry (DSC) testing [8], related to not only fishplates, but material tests o tension, shear tests [24, 38, 42, 43, ] with the cut specimens from the fishplates. o ‘fracture’ tests [51, 54], Two types of glass-fibre reinforced fishplates o micrographic fracture analysis [54], (fit to 54E1 rail profile) are available for laboratory o electrical conductivity tests [11], tests: o acoustic emission tests, Active NDT (non-  type I: structural, laminated polymer (Fig. 1), destructive testing) methods, like ultrasonic or  type II: combination of fibre-reinforced pol- radiographic testing, need an active external ymer with continuous (aligned) and discontinuous, source, which introduces energy into the sys- random oriented structure (Fig. 2). tem in the form of an acoustic wave [17], In this paper the authors summarize the up-to- o Cooper fatigue tests (asphalt pavements) date laboratory measurement possibilities and their [25], initial results of plastic-polymer fishplates that are o tests with riveted joints [47], detailed in following sections. Material tests have o ultrasonic C scan testing and image analy- not been introduced, yet, only in the following sis [12], publications in 2020. o bending and hygrothermal aging [20], This paper is the continuation of the authors o moisture absorption (Fickian diffusion previous papers [24, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44]. stage) [20], o bending tests of composite slab [14],

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

88 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

 geometrical patterns of bolt (screw) holes: according to the Hungarian regulations (40-190- 150-140-150-190-40 mm from the end of the fishplate),  diameter of holes: 28 mm,  reinforce material: glass-fibre,  matrix material: resin,  material structure: o type I: structural, laminated polymer, o type II: combination of fibre-reinforced polymer with continuous (aligned) and discontinuous, random oriented structure.  bolt (screw) characteristics: Fig. 1. Laboratory test assembly with fishplate type I o diameter: 27 mm (for fishplate type I), 24 mm (for fishplate type II), o material property: 8.8 (i.e. tensile strength is min. 800 MPa, yield strength is min. 640 MPa). Properties of endpost material:  thickness: 4 mm,  material: glass-fibre reinforced plastic,  for rail profile: 54E1 (UIC54). Properties of applied rails:  profile: 54E1 (UIC54),  length: approx. 2×750 mm,  steel grade: R260 (900A),  hardness: 260 HBW. Characteristics of 3-point dynamic bending Fig. 2. Laboratory test assembly with fishplate type II tests:  actuator type: BiSS 300 kN, Methodology  bay length: 1200 mm, Dynamic (fatigue) bending tests were per-  supports: 2 inelastic steel supports with formed by insulated rail joints assembled with knuckles, plastic-polymer fishplates. The auhors applied spe-  rail fasteners: Vossloh Skl24 type, cial laboratory measurements that are related to  Fmin: 10 kN, digital picture/video measurement technique and  Fmax: 136 kN, assessment method executed by GOM hardwares  loading frequency: 2 Hz, and softwares, as well as computer tomography ac-  registered values: cording to laboratory bending tests. o elapsed time in sec unit, In the following the details of used methodolo- o force in kN unit, gies and connecting characteristics, parameters are o deformation in vertical plane in mm unit, described. o number of loading cycles. The parameters of investigated fishplates As mentioned earlier, special modern meas- (where type I and II are not specified the data are urement techniques were applied: related to both):  digital picture/video recording and connect-  length: 900 mm, ing data processing methods:  height 108 mm, o GOM Tritop,  width: 40 mm, o GOM Aramis,  number of holes: 6,  computer tomograpgy. Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

89 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

The authors planned test series with the follow- (after fatigue stages) can be compared together. In ing steps: this way the crack/failure growing processes are i) initial state recordings (i.e. before fatigue), able to be determined and recorded related to the a. make 3D computer tomography (Fig. 3) two different fishplates as a function of loading cy- models of the middle section of fishplates cles. (between two middle holes), In the Findings chapter the authors detail their b. assemble the rail joints, relevant results. c. record the force vs. vertical displacement (or deformation, stress, strain, etc.) functions with load cell and LVDT, GOM Tritop (Fig. 4), GOM Aramis (Fig. 5) with static and short dynamic tests, ii) fatigue test with 500,000 loading cycles (or until failure), iii) state recordings after fatigue, a. disassemble the rail joint, b. make 3D computer tomography models of the middle section of fishplates (between Fig. 4. Test assembly, measurement with GOM Tritop two middle holes), c. reassemble the rail joints, d. record the force vs. vertical displacement (or deformation, stress, strain, etc.) functions with load cell and LVDT, GOM Tritop, GOM Aramis with static and short dynamic tests, iv) fatigue test with 500,000 loading cycles (or until failure), v) etc.

Fig. 5. Test assembly, measurement with GOM Aramis

Findings In previous papers [24, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44] the authors published the results of glued- insulated rail joints, in this period they continued their research with the investigation of rail joints with plastic-polymer fishplates without glueing. They tested two different types of rail fishplates Fig. 3. Computer tomography machine (type: Yxilon made of plastic-polymer material. For the rail Modular) and the measured fishplates joints with fishplates but without glueing, the authors applied special measurement techniques by The steps ‘iii’…’iv’ should be repeated until al- GOM products (Tritop, Aramis) that enable high together 3.5 million loading cycles (plan) for 3-3 precision digital measurement techniques with pieces of rail joints (i.e. 3 specimens with fishplate spectacular visualization results. The computer to- type I and other 3 with type II). mography records ensure the opportunity to be The results from the initial stage (before fa- able to receive information about inner crackings tigue), as well as after each 500,000 loading cycles Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

90 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ and faults of plastic-polymer fishplates, with also In Figures 8-9 the typical loading curves high precision measurements. The assessment (hysteresis) can be seen recorded by original method has to be developed for these specific software of BiSS hydraulic actuator. measurement methodologies to be able to compare the results and define scientific statements. 18 By this time the following results were 16 14 obtained with 1-1 pieces of rail joints: 12  a pre-fatigue tests, i.e. step ’i’, 10 8  post-fatigue tests, i.e. step ’ii’…’iii’, until 6 approximately 10,000 loading cycles. 4 2 The reason of only approx. 10,000 loading 0 0 50 100 150 cycles were applied the fact the fishplates partly or [mm] displacement Vertical Vertical force [kN] full failured: Before fatigue After 2,000 loading cycles  fishplate type I: partly failure after 10,000 After 8,000 loading cycles cycles (one of the fishplate pair is damaged in the Fig. 8. Typical hysteresis curves of insulated rail middle cross section at the top line), joint with fishplate type I  fishplate type II: failure after 7,331 cycles. Figures 6-7 illustrate the rail joints after 1st loading period. 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

Vertical displacement [mm] displacement Vertical 4.5 5.5 6.5 7.5 Time [s] Before fatigue After 2,000 loading cycles After 8,000 loading cycles Fig. 9. Typical vertical displacement curves of insulated rail joint with fishplate type I Fig. 6. Insulated rail joint with fishplate type I after 10,000 loading cycles (the seeable failure was only one fishplate, in the other not) 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 50 100 150 Vertical displacement [mm] displacement Vertical Vertical force [kN] Before fatigue After 2,000 loading cycles

Fig. 10. Typical hysteresis curves of insulated rail joint with fishplate type II

Fig. 7. Insulated rail joint with fishplate type II after 7,331 loading cycles (both fishplates damaged) Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

91 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

16 14 12 10 8 6 4 2 0

Vertical displacement [mm] displacement Vertical 4.5 5.5 6.5 7.5 Time [s] Before fatigue After 2,000 loading cycles

Fig. 11. Typical vertical displacement curves of insulated rail joint with fishplate type II

Figures 8-11 show that the higher the number of (elapsed) loading cycles, the higher the measurable vertical displacement. It is a very Fig. 13. Measured displacement (in vertical plane) trivial behaviour of engineering structures during of insulated rail joint’s middle with fishplate type I (and/or after) fatigue test. before fatigue at 136 kN vertical loading – recorded The authors demonstrate some of the special by GOM Aramis (the picture is upside down) measurement results obtained by GOM technology and computer tomography (Fig. 12-15).

Fig. 14. Measured Mises strain (in vertical plane) Fig. 12. Measured displacement (in vertical plane) of insulated rail joint’s middle with fishplate type I of insulated rail joint’s middle with fishplate type I before fatigue at 10 kN vertical loading – recorded before fatigue at 10 kN vertical loading – recorded by GOM Aramis (the picture is upside down) by GOM Aramis (the picture is upside down)

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

92 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

Fig. 16. Inner failures of fishplate type II (sign ‘a’) in the middle part before fatigue (yellow surfaces), as well as after 7,331 loading cycles (red surfaces) – recorded by computer tomography

Fig. 15. Measured Mises strain (in vertical plane) of insulated rail joint’s middle with fishplate type I before fatigue at 136 kN vertical loading – recorded by GOM Aramis (the picture is upside down)

It can be stated – regarding Fig. 12-15 – that measurement technique ensured by GOM Aramis is adequate to determine e.g. displacement and strain values very high precision compared to a reference status (so called ’0’ stage, i.e. non- loaded stage). Every diagram recorded by this method shows the differences. The measurements Fig. 17. Inner failures of fishplate type II (sign ‘b’ in the were executed by 10 Hz sampling while the short middle part before fatigue (yellow surfaces), as well as dynamic loading was 0.1 Hz. It means that in after 7,331 loading cycles (red surfaces) – recorded by 10 seconds there was only one full sinus loading computer tomography cycle, during which 100 pictures were taken. The apparatus of applied, assembled GOM Aramis hardwares and software were able to offer approx. Referring Fig. 16-17 the authors state that 3-D 900 shoots. Because of this fact one measurement computer tomography is also adequate for took approx. 90 seconds. Fig. 12-15 are typical definition inner faults (e.g. crackings, inclusions, pictures from the 900 ones. In the future the ’after etc.) with very high accuracy. The recordings are fatigue’ stages have to be recorded to be able to able to be compared to each other and the compare the results. (Next to the showed values, deterioration process can be determined by this the software is able to give not only the vertical, methodology. but the horizontal measurements, as well as Originality and practical value Epsilon X and Y parameters – so called specific strain values.) Up to now any researcher and research group Figures 16-17 demonstrate some 3-D have been dealing with insulated rail joints with recordings of computer tomography tests. special plastic-polymer fishplates without glueing applied mentioned special techniques, no one determined the exact deterioration process of these joints, as well as the crack growing phenomenon in the cross section of the fishplates. The research Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

93 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ team of the authors had the possibility to see into points). GOM Tritop gives the opportunity to be the details of glass-fibre reinforced resin bonded able to define the displacement vectors without plastic fishplates during laboratory tests, as well as usage of e.g. Matlab programming. As the authors they publish timely information in the considera- mentioned, up to now the data processing and tion of their laboratory tests’ results. This result assessment have not been performed. can be applied in railway engineering at all stages: The third possibility is the computer design, construction, maintenance&operation in tomography. The recorded 3-D models from the future. computer tomography measurements, the evolution Up to now the laboratory measurements with of the crackings or any irregularities inside (or GOM Tritop procedure and the data from those naturally on the surfaces) of the fishplates can be have not been processed yet, but the authors would localised and determined. It means that e.g. the like to execute it in the future, as well as publish length values or maybe the volume (in mm3 unit) these results. of the faults (i.e. air inside the fishplates), or the The authors think that the largest challenge will number and location of the broken glass fibres are be the development the data processing and able to be defined. It should be mentioned that evaluation procedure for both techniques (GOM computer tomography machine at Széchenyi István techniques: Tritop and Aramis, as well as computer University is able to make recordings with limited tomography). dimensions, it is the reason the authors focus on E.g. in case of GOM Aramis some special the middle part of the fishplates (remark: the points have to be marked before the short dynamic highest stress and strain values are in this zone due loading during this kind of measurements, after to the static model and the supports of the ’beam’). that data have to be filtered/determined from the The authors have an initial result with this database and diagrams, figures should be drawn. It procedure. The volume of the faults (air) related to means that the change of the behaviour of the the Figures 16-17 are the followings: fishplated joints can be assessed by usage of the  at the initial stage (i.e. before fatigue test): trend functions related to the results from the 3,000 mm3, measurements at different time, i.e. steps (from i)  after 7,331 loading cycles: approx. to v), see Section ’Methodology’). These special 18,000 mm3. marked points can be the following on the It means that the volume of the faults increased fishplates: the sixfold of the initial after 7,331 loading cycles  one point (or more points) from the above (after this quantity of loading cycles the fishplates zone of the fishplate, – type II – went broke).  one point (or more points) from the middle There are some aspects the authors have to zone of the fishplate, consider in the continuation of their research:  one point (or more points) from the below  specimens should be cut from the fishplates zone of the fishplate. and bending, tensile tests have to be executed (according to the European standards), The authors have to mention that in case of  from these measurements the material char- GOM Aramis the ’points’ can be ranges (see Fig. 7 acteristics can be defined, and Figures 12-15). The only requirement to have  the performed bending tests with full scale to be fulfilled: these points or ranges should be fishplates (see steps in the Methodology chapter) able to localized/seen in every recorded picture to are able to ensure the change of the vertical dis- be able to define the changes of the parameters placement (deformation) of the rail joints as related to them. a function of loading cycles, the elasticity parame- The second possibility is the GOM Tritop (see ters can be calculated (maybe E×I and/or G×A Fig. 4). It is a technique with usage of reference values, Poisson ratio, sigma-epsylon – stress-strain points (i.e. without movements/displacements –, etc.), during the measurements), as well as measured  the results will be adequate to compare the points (i.e. they have movements/displacements behaviour of insulated rail joints with and without during the measurements compared to reference glueing, as well as the insulated rail joints with Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

94 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ glass-fibre reinforced fishplates and traditional  calculation method of stress-strain rate in the steel fishplates, railway layer structures [1, 2]. In the following research – mainly in the  This paper is the continuation of the authors preparation of PhD thesis of Attila Németh – the previous papers [24, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44]. below techniques, methodologies and aspects, have to be considered related to insulated and glued Acknowledgements insulated rail joints with glass-fibre reinforced Thank MÁV-THERMIT Ltd for the help. This fishplates: research is supported by the ÚNKP-19-3 New Na-  evaluation of geometrical deterioration of tional Excellence Program of the Ministry for In- ballasted railway tracks [34, 35, 36, 37], novation and Technology.  dynamic effects of the railway track (and e.g. turnouts) and vehicles, as well as irregular movements of rail vehicles [3, 4, 5, 6, 7, 48, 50, 53],

LIST OF REFERENCE LINKS 1. Курган, Д. М. До вирішення задач розрахунку колії на міцність із урахуванням нерівнопружності підрейкової основи // Наука та прогрес транспорту. – 2015. – № 1 (55). – С. 90–99. doi: 10.15802/stp2015/38250 2. Особливості напружено-деформованого стану суміщеної залізничної колії / М. Б. Курган, Д. М. Кур- ган, М. Ю. Бражник, Д. Л. Ковальський // Наука та прогрес транспорту. – 2019. – № 1 (79). – С. 51–63. doi: 10.15802/stp2019/158471 3. Ágh, C. A new arrangement of accelerometers on track inspection car FMK-007 for evaluating derailment safety / C. Ágh // Track Maintenance Machines in Theory and Practice – SETRAS 2018: Conference Paper (November 2018, Žilina, Slovakia). – Žilina, 2018. – Р. 7–14. 4. Ágh, C. Egyenértékű kúposság mérése Magyarországon: Pálya és jármű kapcsolata – futási instabilitás / C. Ágh // Sínek világa. – 2012. – Vol. 54, No. 6. – Р. 10–13. 5. Ágh, C. Vágánygeometriai irány- és fekszinthibák valós nagyságának értékelése húrmérési eredmények alapján / C. Ágh // Közlekedéstudományi szemle. – 2018. – Vol. 68, No. 5. – Р. 46–55. 6. Ágh, C. Vasúti kerékpár futási instabilitása a pályadiagnosztika szemszögéből / C. Ágh // Sínek világa. – 2017. – Vol. 59, No. 6. – Р. 17–20. 7. Ágh, Cs. Comparative Analysis of Axlebox Accelerations in Correlation with Track Geometry Irregularities / Cs. Ágh // Acta Technica Jaurinensis. – 2019. – Vol. 12, No. 2. – Р. 161–177. doi: 10.14513/actatechjaur.v12.n2.501 8. Allen, D. G. Evaluating The Long-Term Durability of Fiber Reinforced Polymers via Field Assessments of Reinforced Concrete Structures / D. G. Allen // Colorado State University. – Fort Collins, Colorado, 2011. – 166 p. 9. An anisotropic non-linear material model for glass fibre reinforced plastics / J. Jansson, T. Gustafsson, K. Salomonsson, J. Olofsson, J. Johansson, P. Appelsved, M. Palm // Composite Structures. – 2018. – Vol. 195. – P. 93–98. doi: 10.1016/j.compstruct.2018.04.044 10. Analysis of Process Parameters in Milling of Glass Fibre Reinforced Plastic Composites / B. Anjaneyulu, G. Nagamalleswara Rao, K. Prahladarao, D. Harshavardhan // International Journal of Mechanical Engineer- ing and Technology. – 2017. – Vol. 8. – Iss. 2. – P. 149–159. 11. Aniskevich, A. Prediction method of electrical conductivity of nano-modified glass fibre reinforced plastics / A. Aniskevich, S. Stankevich, J. Sevcenko // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 500. – Conference 1. – P. 1–6. doi: 10.1088/1757-899X/500/1/012010 12. Baskaran, G. Effect of Fine Blanking on Hole Quality in Glass Fibre Reinforced Plastic Composites / G. Baskaran, S. Gowri, R. Krishnamurthy // Journal for Manufacturing Science and Production. – 2009. – Vol. 10. – Iss. 1. – P. 33–41. doi: 10.1515/IJMSP.2009.10.1.33 13. Batabya, A. Evaluation of Mechanical Properties of Glass Fibre and Carbon Fibre Reinforced Polymer Com- posite / A. Batabya, R. K. Nayak, S. Tripathy // Journal of Communication Engineering & Systems. – 2018. – Vol. 8. – Iss. 2. – P. 66–74. doi: 10.5829/ije.2018.31.07a.12

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

95 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

14. Bending capacities of glass fibre reinforced plastic composite slab / J. Ryu, Y. K. Ju, S. W. Yoon, S. D. Kim // Materials Research Innovations. – 2013. – Vol. 17. – Iss. sup2. – P. s12–s18. doi: 10.1179/1432891713Z.000000000294 15. Bhattacharyya, K. K. Glass Fibre Reinforced Plastics: Information Sources / K. K. Bhattacharyya // Transac- tions of the Indian Ceramic Society. – 2014. – Vol. 38. – Iss. 5. – P. 200–204. doi: 10.1080/0371750X.1979.10840915 16. Boerstra, G. K. The Multislope model: A new description for the fatigue strength of glass fibre reinforced plastic / G. K. Boerstra // International Journal of Fatigue. – 2007. – Vol. 29. – Iss. 8. – P. 1571–1576. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2006.11.007 17. Bohmann, T. Acoustic emission of material damages in glass fibre-reinforced plastics / T. Bohmann, M. Schlamp, I. Ehrlich // Composites Part B: Engineering. – 2018. – Vol. 155. – P. 444–451. doi: 10.1016/j.compositesb.2018.09.018 18. Chockalingam, P. Grindability Study on the Glass Fibre Reinforced Plastic Composite Laminates / P. Chocka- lingam, K. C. Kuang // Australian Journal of Basic and Applied Sciences. – 2013. – Vol. 7, No. 11. – P. 429– 434. 19. Choudhury, I. A. Experimental evaluation of laser cut quality of glass fibre reinforced plastic composite / I. A. Choudhury, P. C. Chuan // Optics and Lasers in Engineering. – 2013. – Vol. 51. – Iss. 10. – P. 1125– 1132. doi: 10.1016/j.optlaseng.2013.04.017 20. Collective effect of bending load and hygrothermal aging on glass fibre reinforced plastic / G. Wang, L. Xiao, T. Nan, J. Jia, H. Xiao, D. Zhang // Pigment & Resin Technology. – 2017. – Vol. 46. –Iss. 6. – P. 469–477. doi: 10.1108/PRT-09-2016-0088 21. Erki, M. A. Bolted glass-fibre-reinforced plastic joints / M. A. Erki // Canadian Journal of Civil Engineering. – 1995. – Vol. 22. – Iss. 4. – P. 736–744. doi: 10.1139/l95-084 22. Erki, M. A. Design of Glass-Fibre-Reinforced Plastic Bolted Connections / M. A. Erki., C. N. Rosner, A. Dut- ta // Microcomputers in Civil Engineering. – 1993. – Vol. 8. – Iss. 5. – P. 367–376. doi: 10.1111/j.1467-8667.1993.tb00222.x 23. Farshad, M. Strain corrosion of glass fibre-reinforced plastics pipes / M. Farshad, A. Necola // Polymer Test- ing. – 2004. – Vol. 23. – Iss. 5. – P. 517–521. doi: 10.1016/j.polymertesting.2003.12.003 24. Fischer, Sz. Investigation of polymer-composite fishplated glued insulated rail joints in laboratory, as well as in field tests for dynamic effects: Research Report / Sz. Fischer, А. Németh. – Győr: Universitas-Győr Non- profit Ltd., 2017. – 578 p. 25. Ge, Z. Fatigue behaviour of asphalt concrete beams reinforced by glass fibre-reinforced plastics / Z. Ge., M. Huang, Y. Wang // International Journal of Pavement Engineering – 2014. – Vol. 15. – Iss. 1. – P. 36–42. doi: 10.1080/10298436.2013.799281 26. Horváth, R. The Drilling Investigation of Glass Fibre Reinforced Plastic / R. Horváth, G. Ágoston // Műszaki Tudományos Közlemények. – 2018. – Vol. 9. – Iss.1. – P. 107–110. doi: 10.33894/mtk-2018.09.22 27. Hou, J. A novel bogie design made of glass fibre reinforced plastic / J. Hou, G. Jeronimidis // Materials and Design. – 2012. – Vol. 37. – P. 1–7. doi: 10.1016/j.matdes.2011.12.026 28. Kishore, R. A. Investigation of Drilling in [(0/90)/0] S Glass Fibre Reinforced Plastics Using Taguchi Method / R. A. Kishore, R. Tiwari, I. Singh // Advances in Production Engineering & Management. – 2009. – Vol. 4, No. 1–2. – P. 37–46. 29. Krauklis, A. E. Long-Term Hydrolytic Degradation of the Sizing-Rich Composite Interphase / A. E. Krauklis, A. I. Gagani, A. T. Echtermeyer // Coatings. – 2019. – Vol. 9. – Iss. 4. – Paper 263. – P. 1–24. doi: 10.3390/coatings9040263 30. Líska, J. Drilling of Glass Fibre Reinforced Plastic / J. Líska, J. Kodácsy // Advanced Materials Research. – 2012. – Vol. 472–475. – P. 958–961. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.472-475.958 31. Long-term durability of basalt- and glass-fibre reinforced polymer (BFRP/GFRP) bars in seawater and sea sand concrete environment / Z. Wang, X. L. Zhao, G. Xian, G. Wuc, R. K. Singh Raman, S. Al-Saadi, A. Haque // Construction and Building Materials. – 2017. – Vol. 139. – P. 467–489. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.02.038 32. Machining of Carbon Fibre Reinforced Plastics / E. Uhlmann, F. Sammler, S. Richarz, F. Heitmüller, M. Bilz // Procedia CIRP. – 2014. – Vol. 24. – P. 19–24. doi: 10.1016/j.procir.2014.07.135 33. Mishra, B. P. Drilling of glass fibre reinforced polymer / nanopolymer composite laminates: a review / B. P. Mishra, D. Mishra, P. Panda // International Journal of Advanced Mechanical Engineering. – 2018. – Vol. 8, No. 1. – P. 153–172.

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

96 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

34. Nagy, R. A vasúti pályageometria romlási folyamatának leírása / R. Nagy // Sínek Világa. – 2016. – Vol. 58, No. 6. – Р. 12–18. 35. Nagy, R. Analytical differences between seven prediction models and the description of the rail track deterioration process through these methods / R. Nagy // Intersections. – 2017. – Vol. 14, No. 1. – Р. 14–32. 36. Nagy, R. Analytical differences between six prediction models and the description of the rail track deterioration process through these methods / R. Nagy // Computational Civil Engineering 2017 : International Sympo- sium (Iasi, Romania, May 26, 2017). – Iasi, 2017. – Р. 31–50. 37. Nagy, R. Description of rail track geometry deterioration process in Hungarian rail lines No. 1 and No. 140 / R. Nagy // Pollack Periodica. – 2017. – Vol. 12. – Iss. 3. – Р. 141–156. doi: 10.1556/606.2017.12.3.13 38. Németh, A. A polimer-kompozit hevederes ragasztott szigetelt sínkötések (1. rész): Laboratóriumi vizsgálatok / А. Németh, Sz. Fischer // Sínek világa. – 2016. – Vol. 58, No. 6. – Р. 2–6. 39. Németh, A. A polimer-kompozit hevederes ragasztott-szigetelt sínkötések (2. rész): Vasúti pályás vizsgálatok / А. Németh, Sz. Fischer // Sínek világa. – 2018. – No. 60. – Р. 12–17. 40. Németh, A. Field tests of glued insulated rail joints with polymer-composite and steel fishplates / А. Németh, Sz. Fischer // Technika és technológia a fenntartható közlekedés szolgálatában: Közlekedéstudományi Konfer- encia / В. Horváth, G. Horváth, В. Gábor (szerk.). – Győr, Magyarország : Universitas-Győr Nonprofit Kft., 2018. – Р. 97–105. 41. Németh, A. Field tests of glued insulated rail joints with usage of special plastic and steel fishplates / A. Németh, Sz. Fischer // Наука та прогрес транспорту. – 2019. – № 2 (80). – С. 60–76. doi: 10.15802/stp2019/165874 42. Németh, A. Investigation of glued insulated rail joints with special fiber-glass reinforced synthetic fishplates using in continuously welded tracks / А. Németh, Sz. Fischer // Pollack Periodica. – 2018. – Vol. 13. – Iss. 2. – Р. 77–86. doi: 10.1556/606.2018.13.2.8 43. Németh, A. Laboratory test results of glued insulated rail joints assembled with traditional steel and fibre-glass reinforced resin-bonded fishplates / A. Németh, Sz. Fischer // Наука та прогрес транспорту. – 2019. – № 3 (81). – С. 65–86. doi: 10.15802/stp2019/171781 44. Németh, A. Polimer-kompozit hevederekkel kialakított ragasztott-szigetelt sínillesztések és kijelölt kontroll szigetelt acélhevederes illesztések vasúti pályás egyenességmérési eredményeinek kiértékelése // Alternatív- Autonóm-Kooperatív-Komparatív Mobilitás : Közlekedéstudományi Konferencia / Széchenyi István Egyetem. – Győr, Magyarország, 2019. – Paper 62. – Р. 1–6. 45. Particulate Filled Composite Plastic Materials from Recycled Glass Fibre Reinforced Plastics / A. Aruniit, J. Kers, D. Goljandin, M. Saarna, K. Tall, J. Majak, H. Herranen // Polymers and Composites. – 2011. – Vol. 17. – Iss. 3. – P. 276–281. doi: 10.5755/j01.ms.17.3.593 46. Recycling glass-fibre-reinforced plastics in the automotive sector / M. Regenfelder, J. Faller, S. Dully, H. Perthes, I. Williams, E. den Boer, G. Obersteiner, S. Scherhaufer // Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Waste and Resource Management. – 2014. – Vol. 167. – Iss. 4. – P. 169–177. doi: 10.1680/ warm.13.00028 47. Study on the Riveted Joints in Glass Fibre Reinforced Plastics (GFRP) / R. Bielawski, M. Kowalik, K. Su- prynowicz, W. Rzadkowski, P. Pyrzanowski // Archive of Mechanical Engineering. – 2017. – Vol. 64. – Iss. 3. – P. 301–313. doi: 10.1515/meceng-2017-0018 48. Sysyn, M. P. Performance study of the inertial monitoring method for railway turnouts / M. P. Sysyn, V. V. Kovalchuk, D. Jiang // International Journal of Rail Transportation. – 2018. – Vol. 4. – Р. 33–42. doi: 10.1080/23248378.2018.1514282 49. Tate, G. S. Drilling on Glass Fiber Reinforced Composite Material for Enhancement of Drilling Quality: A Review / G. S. Tate, A. M. Shaikh, A. D. Awasare // International Journal of Engineering Research and Technology. – 2017. – Vol. 10, No. 1. – P. 923–927. 50. The complex phenomenological model for prediction of inhomogeneous deformations of railway ballast layer after tamping works / M. Sysyn, U. Gerber, V. Kovalchuk, O. Nabochenko // Archives of Transport. – 2018. – Vol. 46. – Iss. 3. – Р. 91–107. doi: 10.5604/01.3001.0012.6512 51. The Fracture of Glass-Fibre Reinforced Epoxy Composites using Nanoparticle-Modified Matrices / A. J. Kinloch, K. Masania, A. C. Taylor, S. Sprenger, D. Egan // Journal of Materials Science. – 2008. – Vol. 43. – P. 1151–1154. doi: 10.1007/s10853-007 -2390-3

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

97 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

52. The Optimization of Drilling Parameters of Glass Fiber Reinforced Plastics via Taguchi Method / I. Çavuşoğlu, M. Çakir, N. M. Durakbasa, E. M. Walcher // MultiScience - XXX. microCAD International Multidisciplinary Scientific Conference University of Miskolc: Conference Paper. – Miskolc, 2016. – P. 1–9. doi: 10.26649/musci.2016.070 53. Theoretical study into efficiency of the improved longitudinal profile of frogs at railroad switches / V. Koval- chuk, M. Sysyn, J. Sobolevska, O. Nabochenko, B. Parneta, A. Pentsak // Eastern European Journal of Enter- prise Technologies. – 2018. – Vol. 4, No. 1. – Р. 27–36. doi: 10.15587/1729-4061.2018.139502 54. Tino, S. R. L. Fracture Characteristics and Anisotropy in Notched Glass Fiber Reinforced Plastics / S. R. L. Tino, E. M. F. Aquino // Materials Research. – 2014. – Vol. 17. – Iss. 6. – P. 1610–1619. doi: 10.1590/1516-1439.302314

A. НЕМЕС1*, І. ФЕКЕТЕ2*, С. САЛАЙ3*, С. ФІШЕР4*

1*Каф. «Інфраструктура транспорту й гідротехніка», Університет Іштвана Сечені, пл. Університетська, 1, Дьєр, Угорщина, 9026, тел. +36 (96) 613 544, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-3477-6902 2*Каф. «Матеріалознавство і технологія», Університет Іштвана Сечені, пл. Університетська, 1, Дьєр, Угорщина, 9026, тел. + 36 (96) 613 582, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-1835-7000 3*Каф. «Машинобудівництво», Університет Іштвана Сечені, пл. Університетська, 1, Дьєр, Угорщина, 9026, тел. + 36 (96) 613 689, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0001-6440-1135 4*Каф. «Інфраструктура транспорту й гідротехніка», Університет Іштвана Сечені, пл. Університетська, 1, Дьєр, Угорщина, 9026, тел. +36 (96) 613 544, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0001-7298-9960

ДОДАТКОВІ ЛАБОРАТОРНІ ДОСЛІДЖЕННЯ СУЧАСНИХ ПЛАСТИКОВО-ПОЛІМЕРНИХ НАКЛАДОК ДЛЯ РЕЙКОВИХ З’ЄДНАНЬ

Мета. У цій статті передбачено визначити поведінку ізольованих рейкових з’єднань із полімер- композитними накладками без склеювання під час розгляду динамічних навантажень щодо власних лабора- торних випробувань. Автори представляють прикладні можливості вимірювання. Методика. Динамічні (втомні) випробування на вигин було проведено за допомогою ізольованих рейкових з’єднань, зібраних із пластикових полімерних рейкових накладок. Спеціальні лабораторні випробування пов’язані з технікою ви-мірювання та методом оцінки цифрового зображення/відео, що виконані апаратними і програмними засоба-ми GOM, а також з комп’ютерною томографією відповідно до лабораторних випробувань на вигин. Резуль-тати. У попередніх роботах автори публікували результати дослідження клейових рейкових стиків, зараз вони продовжують дослідження рейкових стиків із пластиково-полімерними накладками без склеювання. Було випробувано два різних типи рейкових накладок, виготовлених із полімерно-пластикового матеріалу. Для рейкових стиків із накладками без склеювання автори використали спеціальні методи вимірювання, ро-зроблені GOM (Tritop, Aramis), які дозволяють застосовувати високоточні цифрові вимірювання з вражаю-чими результатами візуалізації. Записи комп’ютерної томографії забезпечують можливість отримувати інформацію про внутрішні тріщини та пошкодження пластиково-полімерних рейкових накладок, а також про вимірювання з високою точністю. Метод оцінки повинен бути розроблений для цих конкретних методик вимірювання, щоб мати можливість порівнювати результати і визначати наукові твердження. Наукова новизна. До цього часу дослідники й дослідницькі групи займалися вивченням ізольованих рейко-вих стиків зі спеціальними пластиково-полімерними накладками без склеювання, застосовуючи згадані спе-ціальні методи; ніхто не визначав точний процес руйнування цих з’єднань, а також явище збільшення трі-щин у поперечному перерізі рейкових накладок. Практична значимість. Дослідницька група авторів мала можливість ознайомитися з деталями рейкових накладок, посилених скловолокном, склеєних смолою під час лабораторних випробувань, а також опублікувати своєчасну інформацію про результати лабораторних випробувань. Ці результати в майбутньому можна застосовувати в залізничному машинобудуванні на всіх етапах: проєктування, будівництво, технічне обслуговування й експлуатація. Ключові слова: лабораторні випробування; армований склопластик; рейкові накладки; рейковий стик; клей

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

98 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

A. НЕМЕС1*, И. ФЕКЕТЕ2*, С. САЛАЙ3*, С. ФИШЕР4*

1*Каф. «Инфраструктура транспорта и гидротехника», Университет Иштвана Сечени, пл. Университетская, 1, Дьер, Венгрия, 9026, тел. +36 (96) 613 544, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-3477-6902 2*Каф. «Материаловедение и технология», Университет Иштвана Сечени, пл. Университетская, 1, Дьер, Венгрия, 9026, тел. + 36 (96) 613 582, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-1835-7000 3*Каф «Машиностроение», Университет Иштвана Сечени, пл. Университетская, 1, Дьер, Венгрия, 9026, тел. + 36 (96) 613 689, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0001-6440-1135 4*Каф «Инфраструктура транспорта и гидротехника», Университет Иштвана Сечени, пл. Университетская, 1, Дьер, Венгрия, 9026, тел. +36 (96) 613 544, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0001-7298-9960

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ПЛАСТИКОВО-ПОЛИМЕРНЫХ НАКЛАДОК ДЛЯ РЕЛЬСОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Цель. В данной статье предусмотрено определить поведение изолированных рельсовых соединений с полимер-композитными накладками без склеивания при рассмотрении динамических нагрузок в отноше- нии собственных лабораторных испытаний. Авторы представляют прикладные возможности измерения. Методика. Динамические (усталостные) испытания на изгиб были проведены с помощью изолированных рельсовых соединений, собранных из пластиковых полимерных рельсовых накладок. Специальные лабора- торные испытания связаны с техникой измерения и методом оценки цифрового изображения/видео, выпол- няемыми аппаратными и программными средствами GOM, а также с компьютерной томографией в соответ- ствии с лабораторными испытаниями на изгиб. Результаты. В предыдущих работах авторы публиковали результаты исследования клеевых рельсовых стыков, сейчас они продолжают исследования рельсовых сты- ков с пластиково-полимерными накладками без склеивания. Были испытаны два различных типа рельсовых накладок, изготовленных из полимерно-пластикового материала. Для рельсовых стыков с накладками без склеивания авторы использовали специальные методы измерения, разработанные GOM (Tritop, Aramis), ко- торые позволяют применять высокоточные цифровые измерения с впечатляющими результатами визуализа- ции. Записи компьютерной томографии обеспечивают возможность получать информацию о внутренних трещинах и повреждениях пластиково-полимерных рельсовых накладок, а также об измерениях с высокой точностью. Метод оценки должен быть разработан для этих конкретных методик измерения, чтобы иметь возможность сравнивать результаты и определять научные утверждения. Научная новизна. До настоящего времени исследователи и исследовательские группы занимались изучением изолированных рельсовых сты- ков со специальными пластиково-полимерными накладками без склеивания, применяя упомянутые специ- альные методы; никто не определял точный процесс разрушения этих соединений, а также явление увеличе- ния трещин в поперечном сечении рельсовых накладок. Практическая значимость. Исследовательская группа авторов имела возможность ознакомиться с деталями рельсовых накладок, усиленных стекловолок- ном, склеенных смолой во время лабораторных испытаний, а также опубликовать своевременную информа- цию о результатах лабораторных испытаний. Эти результаты в будущем можно применять в железнодорож- ном машиностроении на всех этапах: проектирование, строительство, техническое обслуживание и эксплуа- тация. Ключевые слова: лабораторные испытания; армированный стеклопластик; рельсовые накладки; рельсо- вый стык; клей

REFERENCES 1. Kurhan, D. M. (2015). To the solution of problems about the railways calculation for strength taking into account unequal elasticity of the subrail base. Science and Transport Progress, 1(55), 90-99. doi: 10.15802/stp2015/38250 (in English) 2. Kurhan, M. B., Kurhan, D. M., Brazhnyk, M. Y., & Kovalskyi, D. L. (2019). Features of stress-strain state of the dual railway gauge. Science and Transport Progress, 1(79), 51-63. doi: 10.15802/stp2019/158471 (in Ukrainian)

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

99 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

3. Ágh, C. (2018). A new arrangement of accelerometers on track inspection car FMK-007 for evaluating derailment safety. Track Maintenance Machines in Theory and Practice, SETRAS 2018. Žilina. (in English) 4. Ágh, C. (2012). Egyenértékű kúposság mérése Magyarországon: Pálya és jármű kapcsolata – futási instabil- itás. Sínek világa, 54(6), 10-13. (in Hungarian) 5. Ágh, C. (2018). Vágánygeometriai irány- és fekszinthibák valós nagyságának értékelése húrmérési ered- mények alapján. Közlekedéstudományi szemle, 68(5), 46-55. (in Hungarian) 6. Ágh, C. (2017). Vasúti kerékpár futási instabilitása a pályadiagnosztika szemszögéből. Sínek világa, 59(6), 17- 20. (in Hungarian) 7. Ágh, C. (2019). Comparative Analysis of Axlebox Accelerations in Correlation with Track Geometry Irregu- larities. Acta Technica Jaurinensis, 12(2), 161-177. doi: 10.14513/actatechjaur.v12.n2.501 (in English) 8. Allen, D. G. (2011). Evaluating The Long-Term Durability of Fiber Reinforced Polymers via Field Assess- ments of Reinforced Concrete Structures. Colorado State University, Fort Collins. (in English) 9. Jansson, J., Gustafsson, T., Salomonsson, K., Olofsson, J., Johansson, J., Appelsved, P., & Palm, M. (2018). An anisotropic non-linear material model for glass fibre reinforced plastics. Composite Structures, 195, 93-98. doi:10.1016/j.compstruct.2018.04.044 (in English) 10. Anjaneyulu, B., Nagamalleswara Rao, G., Prahladarao, K., & Harshavardhan, D. (2017). Analysis of Process Parameters in Milling of Glass Fibre Reinforced Plastic Composites. International Journal of Mechanical Engineering and Technology, 8(2), 149-159. (in English) 11. Aniskevich, A., Stankevich, S., & Sevcenko, J. (2019). Prediction method of electrical conductivity of nano- modified glass fibre reinforced plastics. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 500, 1-6. doi:10.1088/1757-899x/500/1/012010 (in English) 12. Baskaran, G., Gowri, S., & Krishnamurthy, R. (2009). Effect of Fine Blanking on Hole Quality in Glass Fibre Reinforced Plastic Composites. Journal for Manufacturing Science and Production, 10(1), 33-41. doi: 10.1515/IJMSP.2009.10.1.33 (in English) 13. Batabyal, A., Nayak, R. K., & Tripathy, S. (2018). Evaluation of Mechanical Properties of Glass Fibre and Carbon Fibre Reinforced Polymer Composite. Journal of Communication Engineering & Systems, 8(2), 66-74. doi: 10.5829/ije.2018.31.07a.12 (in English) 14. Ryu, J., Ju, Y. K., Yoon, S. W., & Kim, S. D. (2013). Bending capacities of glass fibre reinforced plastic composite slab. Materials Research Innovations, 17(sup2), s12-s18. doi: 10.1179/1432891713Z.000000000294 (in English) 15. Bhattacharyya, K. K. (2014). Glass Fibre Reinforced Plastics: Information Sources. Transactions of the Indian Ceramic Society, 38(5), 200-204. doi: 10.1080/0371750X.1979.10840915 (in English) 16. Boerstra, G. K. (2007). The Multislope model: A new description for the fatigue strength of glass fibre reinforced plastic. International Journal of Fatigue, 29, 1571-1576. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2006.11.007 (in English) 17. Bohmann, T., Schlamp, M., & Ehrlich, I. (2018). Acoustic emission of material damages in glass fibre- reinforced plastics. Composites Part B: Engineering, 155, 444-451. doi: 10.1016/j.compositesb.2018.09.018 (in English) 18. Chockalingam, P., & Kuang, K. C. (2013). Grindability Study on the Glass Fibre Reinforced Plastic Compo- site Laminates. Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 7(11), 429-434. (in English) 19. Choudhury, I. A., & Chuan, P. C. (2013). Experimental evaluation of laser cut quality of glass fibre reinforced plastic composite. Optics and Lasers in Engineering, 51(10), 1125-1132. doi: 10.1016/j.optlaseng.2013.04.017 (in English) 20. Wang, G., Xiao, L., Nan, T., Jia, J., Xiao, H., & Zhang, D. (2017). Collective effect of bending load and hygrothermal aging on glass fibre reinforced plastic. Pigment & Resin Technology, 46(6), 469-477. doi: 10.1108/PRT-09-2016-0088 (in English) 21. Erki, M. A. (1995). Bolted glass-fibre-reinforced plastic joints. Canadian Journal of Civil Engineering, 22(4), 736-744. doi: 10.1139/l95-084 (in English) 22. Erki, M. A., Rosner, C. N., & Dutta, A. (1993). Design of Glass-Fibre-Reinforced Plastic Bolted Connections. Microcomputers in Civil Engineering, 8(5), 367-376. doi: 10.1111/j.1467-8667.1993.tb00222.x (in English) 23. Farshad, M., & Necola, A. (2004). Strain corrosion of glass fibre-reinforced plastics pipes. Polymer Testing, 23(5), 517-521. doi: doi:10.1016/j.polymertesting.2003.12.003 (in English) 24. Fischer, Sz., & Németh, A. (2017). Investigation of polymer-composite fishplated glued insulated rail joints in laboratory, as well as in field tests for dynamic effects: Research Report. Győr: Universitas-Győr Nonprofit Ltd. (in Hungarian)

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

100 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

25. Ge, Z., Huang, M., & Wang, Y. (2014). Fatigue behaviour of asphalt concrete beams reinforced by glass fibre- reinforced plastics. International Journal of Pavement Engineering, 15(1), 36-42. doi: 10.1080/10298436.2013.799281 (in English) 26. Horváth, R., & Ágoston, G. (2018). The Drilling Investigation of Glass Fibre Reinforced Plastic. Műszaki Tudományos Közlemények, 9(1), 107-110. doi: 10.33894/mtk-2018.09.22 (in English) 27. Hou, J., & Jeronimidis G. (2012). A novel bogie design made of glass fibre reinforced plastic. Materials and Design, 37, 1-7. doi: 10.1016/j.matdes.2011.12.026 (in English) 28. Kishore, R. A., Tiwari, R., & Singh, I. (2009). Investigation of Drilling in [(0/90)/0] S Glass Fibre Reinforced Plastics Using Taguchi Method. Advances in Production Engineering & Management, 4(1-2), 37-46. (in English) 29. Krauklis, A. E., Gagani, A. I., & Echtermeyer, A. T. (2019). Long-Term Hydrolytic Degradation of the Sizing- Rich Composite Interphase. Coatings, 9(4), Paper 263, 1-24. doi: 10.3390/coatings9040263 (in English) 30. Líska, J., & Kodácsy, J. (2012). Drilling of Glass Fibre Reinforced Plastic. Advanced Materials Research, 472-475, 958-961. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.472-475.958 (in English) 31. Wang, Z., Zhao, X. L., Xian, G., Wuc, G., Singh Raman, R. K., Al-Saadi, S., & Haque, A. (2017). Long-term durability of basalt- and glass-fibre reinforced polymer (BFRP/GFRP) bars in seawater and sea sand concrete environment. Construction and Building Materials, 139, 467-489. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.02.038 (in English) 32. Uhlmann, E., Sammler, F., Richarz, S., Heitmüller, F., & Bilz, M. (2014). Machining of Carbon Fibre Reinforced Plastics. Procedia CIRP, 24, 19-24. doi: 10.1016/j.procir.2014.07.135 (in English) 33. Mishra, B. P., Mishra, D., & Panda, P. (2018). Drilling of glass fibre reinforced polymer / nanopolymer composite laminates: a review. International Journal of Advanced Mechanical Engineering, 8(1), 153-172. (in English) 34. Nagy, R. (2016). A vasúti pályageometria romlási folyamatának leírása. Sínek világa, 58(6), 12-18. (in Hungarian) 35. Nagy, R. (2017). Analytical differences between seven prediction models and the description of the rail track deterioration process through these methods. Intersections, 14(1), 14-32. (in English) 36. Nagy, R. (2017). Analytical differences between six prediction models and the description of the rail track deterioration process through these methods, Computational Civil Engineering 2017, International Symposium. Iasi. (in English) 37. Nagy, R. (2017). Description of rail track geometry deterioration process in Hungarian rail lines No. 1 and No. 140. Pollack Periodica, 12(3), 141-156. doi: 10.1556/606.2017.12.3.13 (in English) 38. Németh, A., & Fischer, Sz. (2016). A polimer-kompozit hevederes ragasztott szigetelt sínkötések (1. rész): Laboratóriumi vizsgálatok, Sínek világa, 58(6), 2-6. (in Hungarian) 39. Németh, A., & Fischer, Sz. (2018). A polimer-kompozit hevederes ragasztott-szigetelt sínkötések (2. rész): Vasúti pályás vizsgálatok. Sínek világa, 60, 12-17. (in Hungarian) 40. Németh, A., & Fischer, Sz. (2018). Field tests of glued insulated rail joints with polymer-composite and steel fishplates. In В. Horváth, G. Horváth, В. Gábor (szerk.), Technika és technológia a fenntartható közlekedés szolgálatában: Közlekedéstudományi Konferencia, 97-105. Győr: Universitas-Győr Nonprofit Kft. (in Hungarian) 41. Németh, А., & Fischer, Sz. (2019). Field tests of glued insulated rail joints with usage of special plastic and steel fishplates. Science and Transport Progress, 2(80), 60-76. doi: 10.15802/stp2019/165874 (in English) 42. Németh, A., & Fischer, Sz. (2018). Investigation of glued insulated rail joints with special fiber-glass reinforced synthetic fishplates using in continuously welded tracks. Pollack Periodica, 13(2), 77-86. doi: 10.1556/606.2018.13.2.8 (in English) 43. Németh, A., & Fischer, Sz. (2019). Laboratory test results of glued insulated rail joints assembled with traditional steel and fibre-glass reinforced resin-bonded fishplates. Science and Transport Progress, 3(80), 65-86. doi: 10.15802/stp2019/171781 (in English) 44. Németh, A., & Fischer, Sz. (2019). Polimer-kompozit hevederekkel kialakított ragasztott-szigetelt sí- nillesztések és kijelölt kontroll szigetelt acélhevederes illesztések vasúti pályás egyenességmérési ered- ményeinek kiértékelése. Alternatív-Autonóm-Kooperatív-Komparatív Mobilitás: Közlekedéstudományi Kon- ferencia, Paper 62, 1-6. Széchenyi István Egyetem. Győr, Magyarország. (in Hungarian) 45. Aruniit, A., Kers, J., Goljandin, D., Saarna, M., Tall, K., Majak, J., & Herranen, H. (2011). Particulate Filled Composite Plastic Materials from Recycled Glass Fibre Reinforced Plastics. Polymers and Composites, 17(3), 276-281. doi: 10.5755/j01.ms.17.3.593 (in English)

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

101 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

46. Regenfelder, M., Faller, J., Dully, S., Perthes, H., Williams, I., den Boer, E., Obersteiner, G., & Scherhaufer, S. (2014). Recycling glass-fibre-reinforced plastics in the automotive sector. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Waste and Resource Management, 167(4), 169-177. doi: 10.1680/warm.13.00028 (in English) 47. Bielawski, R., Kowalik, M., Suprynowicz, K., Rzadkowski, W., & Pyrzanowski, P. (2017). Experimental Study on the Riveted Joints in Glass Fibre Reinforced Plastics (GFRP). Archive of Mechanical Engineering, 64(3), 301-313. doi: 10.1515/meceng-2017-0018 (in English) 48. Sysyn, M. P., Kovalchuk, V. V., & Jiang, D. (2018). Performance study of the inertial monitoring method for railway turnouts. International Journal of Rail Transportation, 4, 33-42. doi: 10.1080/23248378.2018.1514282 (in English) 49. Tate, G. S., Shaikh, A. M., & Awasare, A. D. (2017). Drilling on Glass Fiber Reinforced Composite Material for Enhancement of Drilling Quality: A Review. International Journal of Engineering Research and Technol- ogy, 10(1), 923-927. (in English) 50. Sysyn, M., Gerber, U., Kovalchuk, V., & Nabochenko, O. (2018). The complex phenomenological model for prediction of inhomogeneous deformations of railway ballast layer after tamping works. Archives of Transport, 47(3), 91-107. doi: 10.5604/01.3001.0012.6512 (in English) 51. Kinloch, A. J., Masania, K., Taylor, A. C., Sprenger, S., & Egan, D. (2008). The Fracture of Glass-Fibre Rein- forced Epoxy Composites using Nanoparticle-Modified Matrices. Journal of Materials Science, 43, 1151- 1154. doi: 10.1007/s10853-007-2390-3 (in English) 52. Cavusoglu, I., Cakir, M., Durakbasa, N. M., & Walcher, E. M. (2016). The Optimization of Drilling Parame- ters of Glass Fiber Reinforced Plastics Via Taguchi Method. The Publications of the MultiScience-XXX. Mi- croCAD International Scientific Conference, 1-9. doi:10.26649/musci.2016.070 (in English) 53. Kovalchuk, V., Sysyn, M., Sobolevska, J., Nabochenko, O., Parneta, B., & Pentsak, A. (2018). Theoretical study into efficiency of the improved longitudinal profile of frogs at railroad switches. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4/1(94), 27-36. doi: 10.15587/1729-4061.2018.139502 (in English) 54. Tino, S. R. L., & Aquino, E. M. F. (2014). Fracture Characteristics and Anisotropy in Notched Glass Fiber Re- inforced Plastics. Materials Research, 17(6), 1610-1619. doi: 10.1590/1516-1439.302314 (in English)

Received: July 30, 2019 Accepted: Nov. 14, 2019

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/1952121 © A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer, 2019

102 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

UDC 625.141-044.963:004.942

E. JUHASZ1*, R. M. MOVAHEDI2*, I. FEKETE3*, S. FISCHER4*

1*Dep. «Transport Infrastructure and Water Resources Engineering», Szechenyi Istvan University, Egyetem Sq., 1, Gyor, Hungary, 9026, tel. + 36 (96) 613 544, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-5544-3146 2*Dep. «Structural and Geotechnical Engineering», Szechenyi Istvan University, Egyetem Sq., 1, Gyor, Hungary, 9026, tel. + 36 (96) 503 400 3202, e-mail [email protected]@sze.hu, ORCID 0000-0002-8393-724X 3*Dep. «Materials Science and Technology», Szechenyi Istvan University, Egyetem Sq., 1, Gyor, Hungary, 9026, tel. + 36 (96) 613 582, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-1835-7000 4*Dep. «Transport Infrastructure and Water Resources Engineering», Szechenyi Istvan University, Egyetem Sq., 1, Gyor, Hungary, 9026, tel. + 36 (96) 613 544, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-7298-9960

DISCRETE ELEMENT MODELLING OF PARTICLE DEGARDATION OF RAILWAY BALLAST MATERIAL WITH PFC3D SOFTWARE

Purpose. It is a very important issue to be able to determine the accurate particle degradation of railway ballast material. There are three different – but connecting – methodology for that: 1) full scale field tests, 2) full scale or reduced scale laboratory tests, 3) computer modelling, mainly with discrete element method (DEM). Options no. 1 and no. 2 need a lot of time and money, but for option no. 3 sophisticated software is needed that can consider the accurate micromechanical characteristics of ballast bed material. Methodology. In this paper the authors summarize their results related to modelling, having applied a software that uses DEM for calculation, as well as laboratory tests, namely uniaxial compression tests with reduced scale and computer tomography. Findings. The authors obtained the results that the uniaxial compression test in laboratory was able to be modelled by DEM software with an initial precision but in the future should be specified. The results are certified by measurements performed by computer tomography method. Originality. It is a very complicated issue to model the particle breakage of railway ballast not only particle movements in DEM software. There are many available software packages at the ‘market’, e.g. PFC, EDEM, YADE. Some of them are quite expensive, the others can be controlled by significantly difficult man- ner (special programming technique is needed, command line, etc.) The authors applied not only laboratory loading tests, but sophisticated computer tomography for their research. Practical value The results can be useful for railway engineering area. This article is a part of a PhD research at Szechenyi Istvan University, the PhD student is Eri- ka Juhász. Her aim is to develop a method to be able to determine the more accurate ballast breakage, as well as develop assessment methodology related to special measurement techniques (e.g. GOM techniques, computer tomography, etc.). The publishing of this paper was supported by ÚNKP–19-3–I–SZE–13 project. Keywords: discrete element modelling; particle degradation; breakage; laboratory test; static pressing test; CT-equipment

ling is suitable for analysing the effects of railway Purpose crushed stone bed degradation according to the Construction of the conventional railway tracks state of the art. In the aggregation, the deformation have the highest proportion of crushed stones. The of the structure of the grains can be used to qualify crushed stone is responsible for the solid but flexi- the changes, so it is possible to examine the whole ble support of the track. Besides they include im- aggregate and the behaviour of the individual portant load bearing, drainage and stability func- grain. In any case, the physical parameters of the tions [6]. models can be determined. The latter aspect is – if The authors’ research has focused on laboratory not the only one – one of the most important parts tests, whereas other scientific research like com- of discrete element modelling, that is more precise- puter modelling in the field of technical sciences ly the adjustment and refinement of the microme- are the focus of the 21st century. chanical parameters of the model. So the model In this article, the authors present computer can be validated using the results of the modelled modelling and its capabilities, and attempt to com- test in the laboratory. pare its results with laboratory results. From several computer modelling the discrete element model- Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/194472 © E. Juhasz, M. R. Movahedi, I. Fekete, S. Fischer, 2019

103 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

Methodology examining engineering structures. In this way, e.g. three-dimensional load simulation of a reinforced About Discrete Element Modelling. The dis- concrete beam (naturally with steel reinforcement) crete element method is used to simulate particu- can also be solved with the software by replacing late or granular modelled material and processes. both concrete and reinforcing bars with discrete Granular material is for example sand, soil or in elements, and working together can be defined. this paper: railway crushed stone. In addition, it is The software is also capable of modelling the a numerical method in which the set to be simulat- dynamic behaviour of the particulate set, which ed is made up of discrete elements with independ- may be important in the future due to the vibration ent displacements and degrees of freedom of mo- effect of the passing railway units. The shape of tion. Relationships between elements can be estab- the granules may be different from the ideal sphere lished and terminated. In addition, it is possible to shape (so-called ‘ball’). So formed of contact specify relationships between predefined grains, and/or intersecting spheres, modelling of complex which can be characterized by the addition of particles (so-called ‘clumps’) is also solved. De- strength properties to the «small» grains that form pending on the particle size distribution of the re- «large» grains; and even models of larger struc- quired particulate material, the particle set to be tures can be constructed in this way, e.g. geogrids, modelled can be generated either as a single parti- engineering structures, etc. cle set or as a Gaussian distribution, or it can be Computer simulations can significantly reduce used to generate a predetermined specific particle the number of laboratory tests that need to be per- size distribution. formed if the parameters of the computer model PFC is a general-purpose framework for model- and the laboratory test and also the results can be ling discrete elements, available in two- and three- prepared (this is the ‘model validation’ mentioned dimensional programs [16, 17]. It is applied for earlier). In this way in DEM simulation (discrete modelling synthetic materials of variable size, stiff element method) by modifying individual parame- particles that form particulate and solid materials. ters, more extensive research can be done, avoid- PFC models simulate the independent motion ing and minimizing costly and time-consuming (translation and rotation) and interaction of many laboratory tests. stiff particles that can interact with each other Discrete element simulations do not work as based on internal force and torque. Particle shapes usual with finite element methods (FEM simula- can include 2D plates or 3D spheres, nodes of stiff- tion): due to the random location of discrete parti- ly connected plates in 2D, convex polygons in 2D, cles, the same result cannot be obtained for all or 3D polyhedra. The PFC includes twelve built-in samples with the same parameters. However, in contact models with the ability to even create finite element simulations the same mesh resolu- a custom C++ user-defined contact model (UDM). tion will always have the same result. Since its first release in 1994, PFC has been Introduction of the used computer software. successfully used by a number of scientific institu- For the purpose of this article, the authors applied tions and private companies in a variety of high- PFC3D (Particle Flow Code in 3 Dimensions), level research, ranging from basic micro-size to a software developed and marketed by Itasca Con- specific applications including hydraulic fracture, sulting Group Inc. (the authors’ software version is soil mechanical interactions, slope stability, bulk 4.0, released around 2009 – currently the latest material flow / mixing and cavern mining, but was version is 6.0). The software is used for three- also used to simulate a number of other activities. dimensional micromechanical analysis of particu- Thermal Analysis: The PFC thermal module al- late material systems: mainly to determine particle lows simulations of transient heat conduction and motions and particle shape changes (fractures, storage in PFC particle materials and the develop- fragmentation, etc.) and the occurring forces- ment of heat-induced deformations and forces. The stresses during these processes. It offers analytical PFC supports both thermal and coupled thermome- and investigative capabilities to characterize the chanical analysis. interaction between individual (granular) compo- C++ Contact Models: Enables users to add nents by friction, modelling of cohesion relation- new contact models (particle force-displacement ships, and considering material continuity when Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/194472 © E. Juhasz, M. R. Movahedi, I. Fekete, S. Fischer, 2019

104 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ relationship) to the PFC using C++ scripts. This used to study macroscopic behaviour of a variety option provides a high degree of freedom of appli- of cohesive granular materials including cohesive cation and the ability to individually program in powders such as xerographic toners (in which co- the software the physical properties and operating hesion stems from van der Waals interaction) and mechanisms relevant to each problem. wet bead packs (in which cohesion stems from liq- Among the PFC software – in the authors’ re- uid bridges joining neighbouring particles) [17]. search – the authors worked with PFC3D 4.0. ver- Soft-Bond Contact Model. The soft-bond sion (as it has been already mentioned), which be- model can be used to simulate both unbonded and sides the previously mentioned granular elements, bonded systems. it also works with wall elements (‘walls’), which In an unbonded state, it behaves essentially can be finite and infinite flat plates, and other walls similar to the contact model, providing the ability of other geometry (cylinder, cone, etc.). to transmit both a force and a moment at the con- In general, the program should specify the me- tact point, with frictional strength parameters limit- chanical properties of the particles and the parame- ing the shear force, bending moment, and twisting ters of the grain-grain or grain-wall relationship. moment. The PFC program considers the particles as infi- In its bonded formulation, the behaviour is sim- nitely stiff and compresses all the mechanical ilar to that of a linear parallel bond model, with properties of the material into a relationship be- a frictional strength parameter limiting the shear tween the particles, which can also be deformed. force, and the possibility for the bond to fail if the Since the crushed stone bedding has no internal bond strength is exceeded either in shear or in ten- bond, it is not necessary to define tensile strength sion. However, contrary to the linear parallel bond in contact bonds in this case. model, the bond is not removed upon failure. In- In addition, the authors have a wide range of stead, it may enter into a softening regime until the applications, e.g. the software can also be used to bond stress reaches a threshold value at which the build geogrids (providing tensile strength and bond is removed and considered broken. The slope bending stiffness properties). and tensile breakage strength during softening can The calculations are based on the combined cy- be specified by the user (via the softening factor clical application of Newton's laws of motion and and the softening tensile strength factor, respec- the force-displacement law. tively). Another difference with the linear parallel Generic Adhesive Contact Model. The Adhe- bond model is that only one set of stiffnesses is sive Rolling Resistance Linear Model is a new used for both the unbonded and bonded formula- contact model now available in PFC 6 to represent tions. This behaviour is essentially similar to that a simple cohesive granular material. The cohesion proposed, with the difference that the bond elonga- arises from a short-range attraction, which is a lin- tion used to update the normal stress in the soften- ear approximation of the van der Waals force law. ing regime accounts for both the normal displace- For these materials, the attraction force is always ment and bending increments [17]. present when the contact surfaces fall within a spe- Behaviour Summary. A soft bond can be en- cific range of attraction force. Assemblies of cohe- visioned as a set of elastic springs with constant sive grains exhibit much larger variations in their normal and shear stiffnesses, uniformly distributed equilibrium densities than do corresponding as- over a {rectangular in 2D; circular in 3D} cross- semblies of non-cohesive grains, because the cohe- section lying on the contact plane and centred at sive grains may form loose, solid-like cohesive the contact point. Relative motion at the contact granulates. Such granular systems can stay in me- causes a linear force and moment to develop, that chanical equilibrium at lower solid fractions (down act on the two contacting pieces. If the bond is in- to 25-30%) than cohesionless granular systems active, frictional strength parameters cap the shear (with typical solid fractions of 58-64%). Cohesive force, bending and twisting moments. If the bond granular materials have much less frequently been is active, the force and moment can be related to investigated by numerical simulation than cohe- maximum normal and shear stresses acting within sionless ones. The new contact model in PFC en- the bond material at the bond periphery. If either of compasses both types of materials and could be these maximum stresses exceeds its corresponding

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/194472 © E. Juhasz, M. R. Movahedi, I. Fekete, S. Fischer, 2019

105 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ bond strength, the bond may enter a softening re- tacting pieces to resisting rolling motion for granu- gime to a specified failure criterion. After failure, lar applications. the behaviour reverts to the unbonded formulation Adhesive Rolling Resistance Linear. Based on [17]. the rolling resistance linear model to which an ad- As balls, clumps, rigid blocks, and walls (i.e., hesive component is added. The cohesion arises pieces) are rigid in PFC, all deformation between from a short-range attraction, which is a linear ap- surfaces of adjacent pieces occurs at contacts. Spe- proximation of the van der Waals force law. cific contact models (i.e., particle-interaction laws) Flat joint. A flat joint contact simulates the be- can be inserted to represent different physical situ- haviour of an interface between two notional sur- ations using a soft contact representation where the faces, each of which is connected rigidly to a ball pieces do not deform but and piece overlaps are or pebble. The notional surfaces are called faces, allowed. Forces and moments are computed based which are lines (PFC2D) or disks (PFC3D). on the degree of overlap. Contact models can use Smooth Joint. The smooth joint model simu- the piece properties to determine the resulting in- lates the behaviour of an interface regardless of the teractions. Contacts are created and deleted auto- local particle contact orientations along the inter- matically during model cycling. PFC uses the null face. The behaviour of a frictional or bonded joint model contact model by default and therefore the can be modelled by assigning smooth-joint models user is required to explicitly specify which contact to all contacts between particles that lie on oppo- model(s) should be used in each PFC model. Each site sides of the joint. contact is assigned a single contact model manual- Hertz. The Hertz contact model in PFC consists ly or via the Contact Model Assignment Table in a non-linear formulation based on an approxi- (CMAT). [16] mation. Built-in Contact Models. [16] Hysteretic. The Hysteretic contact model in Null. The null contact model is the default con- PFC consists in a combination of the elastic por- tact model with no mechanical interaction. No tion of the Hertz model, combined an alternate force or moment is generated. dashpot group consisting in a nonlinear visco- Linear. The linear model reproduces the me- elastic element in the normal direction. chanical behaviour of an infinitesimal, linear elas- Burger’s. Simulates creep mechanisms by us- tic and frictional interface that carries a point force. ing a Kelvin model and a Maxwell model connect- The interface does not resist relative rotation and ed in series in both the normal and shear directions. optional viscous dashpots may be activated. Walking around the topic, computer program- Linear Contact Bond. The linear contact bond ming (and discrete element modelling within it) model provides the behaviour of an infinitesimal, already allows assembled elements to be built on linear elastic, and either frictional or bonded inter- not just from a sphere or multiple spheres face that carries a point force and does not resist (‘clumps’), but polyhedra [4]. This method is al- relative rotation. ready used by many Hungarian researchers. This Linear Parallel Bond. The linear parallel bond also gives us a more accurate picture of the move- model provides the force-displacement behaviour ment and relationship of the particle shapes with of a finite-sized piece of cementitious material de- each other, but the authors were not able to model posited between two pieces in the vicinity of the the authors’ laboratory analysis with the mesh contact location, acting in parallel with a linear shapes built into this system (due to the fact that model. only PFC3D 4.0 software is available at Széchenyi Soft-Bond. Similar to the linear parallel bond István University). For example, the YADE soft- with the addition that a softening parameter can be ware, which is an open source, programmable specified to modify the stiffness in the post tensile software, with its problems and difficulties, is also failure regime, allowing for a degradation of the suitable for simulation with polyhedra. The au- tensile stiffness as a function of increasing bond thors’ model is made up of several larger spheres elongation. (balls) made up of smaller spheres (balls). The test Rolling Resistance Linear. Based on the linear principles are very similar, so in the first approach model but incorporates a torque acting on the con- the authors found PFC3D 4.0 perfectly suitable for

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/194472 © E. Juhasz, M. R. Movahedi, I. Fekete, S. Fischer, 2019

106 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

‘testing’ discrete element modelling and getting to 2.3 mm – and HDPE 25 end cap) were assembled know the method. Since the modelling of crushed into several test tube pieces, in which NZ 4/8 ande- stone granules as spherical granules can lead to site material filled – approx. 25-25 pieces – the incorrect behaviour (singularities in the calcula- specimens are shown in Fig 1. Rock physical pa- tions), it was necessary to use composite granules rameters of the fraction 10/14: LA – 13.2%, mDE – for realistic results of the simulations [2]. 23.4%. Small granular DEM simulations were About the simulation and the built model, made with these laboratory tests in mind. the basics of the model. The authors would like to illustrate the basics of the simulation: let's take a particle that produces displacements under the influence of a contact (even it can be considered as a set of grains). The displacements cause the dis- appearance of existing contacts and the formation of new contacts, but at these points of contact, forces awaken. This is called ‘cycling,’ which is performed by the software up to the specified limit, and finally this process is called ‘cycling’ leading to equilibrium. Fragmentation of railway crushed stone bed granules was observed in laboratory tests in a 160 mm external diameter HDPE (hard polyeth- Fig. 1. Test specimens for NZ 4/8 ylene tube). The tube was lined with 1200 g/m2 geotextile. The tube was filled to a standard height of about 15 cm with a standard 31.5/50 mm rail Fig. 2 shows the load design, the loading of the crushed stone (with two types of andesite from samples carried out with a ZD-40 type crusher. mines). This is how the authors achieved the approximately equal height-to-width ratio determined by the CT device used in the study. A set of rock material consisted of approximately 16 to 20 individually measured and photographed rock particles [6]. The authors could create a slightly different model with using DEM. While in reality (measurement in laboratory) the authors crushed it in the form of a cylinder with an inside diameter of approximately 14 cm – filled at a height of 15 cm with two dozen rocks which have sharp corners and oblong-cubic shape; in the DEM simulation the authors loaded three dozen spherical macro- spheres into a rectangular container. The size of the container is 2-2.5 cm. The PFC3D 4.0 version is capable of working with significantly fewer elements in the fracture calculations and exponentially increases the time required for running number of items (compared to either 5.0 or 6.0). The authors also experimented with small granular (crushed) laboratory tests. Components suitable for garden watering systems (HDPE Fig. 2. The laboratory test assembly 25 tube – outer diameter 25 mm, wall thickness

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/194472 © E. Juhasz, M. R. Movahedi, I. Fekete, S. Fischer, 2019

107 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

A total of 6 samples were tested with unidirec- Presentation of the macroparticle fragment- tional (vertical) pressure: 3 samples with max. ed aggregation. The authors’ aim with the DEM 300 kPa (samples no. 1, no. 2 and no. 4), 3 more test was to get to know the simulation first and to samples max. 900 kPa (samples no. 3, no. 5 and identify possible directions of the research. no. 6) with a single-stage load (see [6]). During the creation of the DEM model, the au- The authors performed a CT x-ray on each of thors generated a set of macroparticles, which con- the crushed samples as described in the authors’ sisted of the following steps: previous article [6] with the help of Imre Fekete  the microparticles were produced by random department engineer on the pre- and post-workout distribution which fills the range defined by the states, as shown in Figures 3-4 (mainly the dis- diameter of the macroparticles, placements could be observed). For this measure-  the properties of certain inhomogeneous mi- ment, we did not separate numbering, weighing, crostructures of the macroparticles (the individual and one-by-one photography of the particles, as the macroparticles, which consisted of the same num- authors did with the 31.5/50 crushed stone bed. ber of microspheres, were not completely similar The loading graphs of the laboratory samples in microstructure) were also important aspects in are presented together with the DEM modelling in the random distribution of the microparticles. the ‘Originality and practical value’ Paragraph. The geometric properties of the macroparticles for the numerical study performed are summarized in Table 1. Table 1 The geometric properties of the macroparticles

Diameter of the Number of the Number of micro- macro-grains macrograins in particles within a [mm] the aggregation macroparticle [piece] [piece] 4.0 17 51 Fig. 4. X-ray CT scans of uniaxial compression tests 6.0 12 148 with NZ 4/8 material by axonometric representation (red for pre-load and blue for post-load; sample 8.0 7 322 numbering: sample no. 1 in the bottom row; from left to right no. 2, no. 3 in the middle row; from left There are two types of contacts that can be to right no. 4, no. 5, and no. 6 in the top row) identified in the macroparticle aggregation model for fragmentation. The first type of contact is non- bonded, described by the Hertz-Mindlin contact model. This is also relevant along the macro particulate aggregate and microparticulate cracks. The second type of contact is based on a contact model defined by the microparticles inside the same macroparticle, which are linked by the normal and shear properties of parallel bonds. The diameter of the microparticles were selected to the resulting macroparticles contain sufficient microparticles to Fig. 4. X-ray CT scans of our uniaxial compression tests perform a proper simulation of the fragmentation with NZ 4/8 material from top view (red for pre-load process. As can be seen in Table 1, one of these and blue for post-load; sample numbering: sample no. macroparticles (so-called ‘clumps’) contains 51- 1 in the bottom row; from left to right no. 2, no. 3 322 microparticles, which significantly increased in the middle row; from left to right no. 4, no. 5, the run time. and no. 6 in the top row)

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/194472 © E. Juhasz, M. R. Movahedi, I. Fekete, S. Fischer, 2019

108 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

The mechanical properties of the ‘clumps’ used in the simulations were the same as those of the spheres. The assumed contact properties in this article are summarized in Table 2.

Table 2 Micromechanical properties

Contact bond (parallel contact bond) Normal and shear stiffness [N/cm] 4.7×105 Normal and shear strength [N/cm2] 7.9×103 The ratio of the ‘bond radius’ to the 0.5 microparticle radius Fig. 5. Excessive compression in simulation (state of cycle 3280) Friction factor in particle-particle Con- 0.55 tact Pictures of the simulations are shown in Fig- ures 6-8. Fig. 6 shows the state for 45th, 1115th, Friction factor in the particle-wall con- 0.55 1520th and 1960th cycle with modelled walls and tact microparticulate macroparticles. In Figures 7-8 the authors could see the direction of the forces in the Container (crucible) size: 19.0 (width) × 19.0 contact and the parallel bond between the micro- (long) × 26.5 (height) [mm]. particles. In Fig. 6 the authors could also see the Odometer examination of the aggregate. All awaken forces in the contact bonds for the used of the macroparticles (build from the micrograins) cycles. were randomly placed at one point and then allowed to gravitationally enter into the receiving container. When the sample was completed (the first bal- anced status was formed) and the top sheet was in place, the ‘pressing process’ began, consisting of small steps. The pressure plate (on the top of the set) moved downward in 0.16 mm increments at a constant speed of 8 mm/s (10 to 6 seconds). In all cases, this was sufficient to allow the set to reach a state in which the initial macroparticles (as the en- capsulating ‘spherical particles’) almost completely disintegrate into microparticles. Here it is important to mention the fact that the simulation ran until the authors crushed all the macroparticles into microparticles. Of course, this is not possible and realistic conditions, as any loaded material will eventually become incompressible. However, the simulation has been able to compress each particle over and over again. So some of the authors’ resulting values were ignored as they would not give a realistic picture of the Fig. 6. The gradual compression, in which load. This ‘over-compression’ is illustrated in the macroparticles are reduced to microparticles Fig. 5. (from left to right and from top to down: after a given 45th, 1115th, 1520th and 1960th cycle) Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/194472 © E. Juhasz, M. R. Movahedi, I. Fekete, S. Fischer, 2019

109 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

Fig. 7. Contact forces in particle-particle and particle-wall contact bonds (line thickness is consistent with force, line direction is same as force vector) (from left to right and from top to down: after a given 45th, 1115th, 1520th and 1960th cycle)

Findings In Fig. 8, the ‘parallel bonds’ (indicated by red lines in the pictures) gradually disappear as the number of cycles increases, that is, the macroparticles disintegrate into microparticles; so the macrograins become degraded. As a first approximation (without taking into account the results of laboratory tests), the condition that may be the limit of real behaviour can be put into about 1960th cycle of the authors’ simulation. So up to this point, the authors could actually compress the aggregate. Until this data (as a limit), the authors have created load diagrams for the fol- Fig. 8. Contact forces in parallel bonds between lowing parameters as a function of the number of microparticles (from left to right and from top cycles (Figures 9-10): to down: after a given 45th, 1115th, 1520th, 1960th,  position of the horizontal load plate of the 2180th, 2290th, 2400th and 2510th cycle) Odometer load (initial value 26.5 mm), Fig. 11 shows the magnitude of the vertical  vertical normal voltage (voltage applied to loading of sample compression (this type of repre- the load plate), sentation was required for consistency with labora-  void ratio (calculated in the usual way in ge- tory measurements). otechnics, i.e. the volume ratio of air to particles in relation to the reference volume). Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/194472 © E. Juhasz, M. R. Movahedi, I. Fekete, S. Fischer, 2019

110 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

0.60 PFC 1. (300 kPa) 0.50 2. (300 kPa) 3. (900 kPa) 0.40 4. (300 kPa) 0.30 5. (900 kPa) 6. (900 kPa) 0.20

Vertical loading [kN] force loading Vertical 0.10

0.00 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 Compression [mm]

Fig. 9. Loading diagram 1 Fig. 12. Loading diagram 4 Analyzing some of the result lines in Fig. 12, it can be concluded that the simulation was a good approximation, despite that the authors’ laboratory samples were in 20.4 mm diameter cylinder and in the DEM simulation the authors used a 19.0 x 19.0 mm cuboid. According to the Fig. 8 the consideration of the 1960th cycle is an excessive approximation. For the 2.0 mm compression (see Fig. 12) belongs to the 459th cycle (see Fig. 13) in the DEM model. The authors need to mention that the 6-series samples measurement data Fig. 10. Loading diagram 2 (see Fig. 12) is too stairy to the applied force 4.50 measuring cell: that because in the Structure Test- 4.00 PFC ing Laboratory of Széchenyi István University the 3.50 authors are mainly equipped to measure multi-ton 3.00 2.50 loads. For example, in the range of forces below 1 2.00 kN, the applied measuring cells can produce simi- 1.50 lar phenomenon – regardless of the movement and 1.00 Vertical loading [kN] force loading Vertical 0.50 fracture of the particles. This must be taken into 0.00 account in the future, meaning that smaller measur- 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 Compression [mm] ing cells may be required with higher precision design. Fig. 11. Loading diagram 3

In Figures 9-11 it is interesting to observe that the void ratio decreases from an initial value of 4.8 to a value of 2.0 in the 1960th cycle. Both the 4.8 and 2.0 void ratio are unrealistic in a real circum- stance. Nevertheless, it should be noted that the software also includes the volume of air between the microparticles, which of course is not true. Fig. 13. Condition according to load cycle 459 (from left to right: linkage forces between Figures 9 and 11 show that, according to the macroparticles of microparticles, particle-particle simulation, about the 1960th cycle the compression and particle-wall; parallel bonds) is 12.9 mm, which is still an unrealistic data for a 25.6 mm initial tall jar filled with macrograins. When comparing the graphs in Fig. 12 with the Because of this reason, the results of the laboratory Figures 3-4 and the Fig. 13., it can be stated that samples, which are plotted in Fig. 12, are also re- the minimal degradation observed is realistic ac- quired. cording to the results – the actual degradation was Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/194472 © E. Juhasz, M. R. Movahedi, I. Fekete, S. Fischer, 2019

111 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ negligible in the laboratory measurements based on a. validation of the DEM model accord- the CT X-ray images. ing to laboratory measurements, In DEM simulation, – although spherical mac- b. quantify and record the number of roparticles were used, in real circumstances the terminated/broken parallel bonds, authors utilized amorphous, sharp and fractured c. by changing the micromechanical and particles – the fragmentation occurs in around the geometric parameters of the validated model 1000th cycle, which comes with 6 mm compres- the authors can obtain further important re- sion. This deformation is probably including 2 kN sults from the runs. load (see Fig 11) which means that the HDPE tube 6. In the future, instead of static loads (with with its ending cap would not bear this load with- properly managed DEM software), dynamic loads out failure. So the authors would need to use dif- should be considered which are closer to real cir- ferent measurement setup to investigate. cumstances. 7. Sophisticated software (like EDEM) can be Originality and practical value used to model manual/machine bedding and bed With the discrete element modelling presented screening as well as the bed’s degradation effect. above, the authors proved that the method is capa- 8. Complemented with CT X-ray records [13], ble of numerically calculating of the degradation of although limited in geometry and with a jar of ma- the ballast particles in up to even 3 dimensions, but terial limited in translucency, the method can be in the future the authors need to fill in the gaps de- improved and the cracks and deformations meas- scribed below and refine the used parameters. Dur- ured under laboratory load can be more accurately ing the authors’ modelling, the authors were aware controlled. of the limitations of the authors’ calculations and 9. Ignoring fragmentation, it is also possible to results: calculate the deformation of the granular assem- 1. The particles should be taken into account in blies, in which case it is possible to calculate the the real grain size corresponding to the crushed ‘only’ particle displacement (3D shifts and 3D ro- stone bed of the railway, so the 31.5/50 mm or tations) and the resulting voltage trajectories [1, 31.5/63 mm fraction instead of the currently used 14] – static and/or dynamic loads – which may be 4/8 mm fraction. sufficient under certain modelling frameworks. 2. In accordance with the 1st point, it is also 10. The authors would mention that other in- necessary to refine the particle shapes to the real teresting research methods like measurement and one [4, 15, 18], which will require the application evaluation capabilities based on digital image and of a DEM program more advanced than PFC3D video processing, which have already been suc- version 4.0. cessfully used in another university research 3. The approximately 20-30 grains will be too (GOM Atos, Tritop and Aramis [5]) as a research small for a more accurate simulation, but with of fiberglass-reinforced plastic composite rail joint. higher item number, the authors will also encoun- (The Széchenyi István University’s Faculty of Au- ter obstacles to more than 10 years of PFC3D ver- di Hungária Vehicle Engineering has these tools.) sion 4.0 (unmanageable runtime – the authors’ pre- This would require loading the particles in a trans- sented results required about 2 months of computer parent plexiglass tube or plexiglass column while runtime, which is unacceptably in 2019). taking digital pictures/videos of the aggregate (and 4. The authors need to specify micromechanical the particles). The tools and their evaluation soft- parameters for validation of the DEM model by ware are capable of accurately locating displace- laboratory measurements, which requires easy-to- ments fields up to a hundredth of a millimetre – in use, relatively fast-running software (free, open this case, the rotation of the particles can cause source, programmable DEM software available on problems in the application of the method, which the Internet, such as costly professional advances affects accuracy and actual behaviour. software: PFC3D version 6.0, EDEM, etc.). All in all, discrete element modelling can be a 5. Among the refinements that can still be made very useful method to reduce the cost of expensive in PFC3D version 4.0 are: laboratory and/or field tests, but you should also be aware of the limitations of DEM simulations.

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/194472 © E. Juhasz, M. R. Movahedi, I. Fekete, S. Fischer, 2019

112 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

These include the fact that simulations can give This paper is the continuation of the authors unrealistic results if configuration is not properly, previous papers [2, 3, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]. like for example the used structure in the simulation can be ‘overloaded’ unlike in real circum- Acknowledgements stances. To do this, the authors need to have proper Supported by the ÚNKP-19-3-I-SZE-13 New engineering thinking and to be able to judge the National Excellence Program of the Ministry for correctness of the results and to adjust the parame- Innovation and Technology. ters of the model.

LIST OF REFERENCE LINKS 1. Особливості напружено-деформованого стану суміщеної залізничної колії / М. Б. Курган, Д. М. Кур- ган, М. Ю. Бражник, Д. Л. Ковальський // Наука та прогрес транспорту. – 2019. – № 1 (79). – С. 51–63. doi: 10.15802/stp2019/158471 2. Fischer, Sz. A vasúti zúzottkő ágyazat alá beépített georácsok vágánygeometriát stabilizáló hatásának vizsgálata : PhD thesis / Sz. Fischer ; Széchenyi István Egyetem. – Győr, 2012. – 148 р. 3. Fischer, Sz. Specific Assessment Method of Railway Ballast Particle Degradation Based on Unique Laborato- ry Test / Sz. Fischer, A. Németh, D. Harrach, E. Juhász // Наука та прогрес транспорту. – 2018. – № 3 (75). – С. 87–94. doi: 10.15802/stp2018/134655 4. Gálos, M. Ágyazati kőanyagok viselkedésének vizsgálata ismételt terhelés hatására / M Gálos, Á. Orosz // Sínek Világa. – 2019. – Vol. 65, No. 1. – P. 10–15. 5. GOM Metrology Systems [Electronic resource]. – Available at: https://www.gom.com/metrology- systems.html – Title from the screen. – Accessed : 21.11.2019. 6. Juhász, E. A vasúti ágyazati szemcsék degradációjának mérése laboratóriumi körülmények között / E. Juhász, Sz. Fischer // Sínek Világa. – 2019. – Vol. 65. – No. 5. – P. 2–12. 7. Juhász, E. A vasúti zúzottkő ágyazati kőanyagok aprózódásának diszkrét elemes modellezése / E. Juhász, R. M. Movahedi, Sz. Fischer // Sínek Világa. – 2019. – Vol. 65, No. 6. – P. 2–10. 8. Juhász, E. Individual laboratory test method for railroad ballast particle breakage [Electronic resource] / Е. Juhász, Sz. Fischer // Conference on Transport Sciences. – Győr, 2019. – Available at: https://u.to/H49pFQ – Title from the screen. – Accessed : 21.11.2019. 9. Juhász, E. Investigation of railroad ballast particle breakage / E. Juhász, Sz. Fischer // Pollack Periodica. – 2019. – Vol. 14. – Iss. 2. – P. 3–14. doi: 10.1556/606.2019.14.2.1 10. Juhász, E. Investigation of railway ballast materials’ particle degradation with special laboratory test method [Electronic resource] / Е. Juhász, Sz. Fischer // 14th Miklós Iványi International PhD & DLA Symposium (Pécs, 2018, October 29–30). – Pécs, 2018. – Available at: https://clck.ru/G4KnU – Title from the screen. – Accessed : 21.11.2019. 11. Juhász, E. Railroad Ballast Particle Breakage with Unique Laboratory Test Method / E. Juhász, Sz. Fischer // Acta Technica Jaurinensis. – 2019. – Vol. 12. – Iss. 1. – P. 26–54. doi: 10.14513/actatechjaur.v12.n1.489 12. Juhász, E. Specific Evaluation Methodology of Railway Ballast Particles’ Degradation / E. Juhász, Sz. Fischer // Наука та прогрес транспорту. – 2019. – № 3 (81). – P. 96–109. doi: 10.15802/stp2019/171778 13. Kozma, I. Failure Analysis of Aluminum – Ceramic Composites / I. Kozma, I. Fekete, I. Zsoldos // Materials Science Forum. – 2017. – Vol. 885. – P. 286–291. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.885.286 14. Kurhan, D. M. Determination of Load for Quasi-static Calculations of Railway Track Stress-strain State / D. M. Kurhan // Acta Technica Jaurinensis. – 2016. – Vol. 9. – Iss. 1. – P. 83–96. doi: 10.14513/actatechjaur.v9.n1.400 15. Laboratory evaluation of railway ballast consolidation by the non-destructive testing / M. Sysyn, V. Kovalchuk, U. Gerber, O. Nabochenko, B. Parneta // Communications. – 2019. – Vol. 21, No. 2. – P. 81–88. 16. New Contact Models in PFC [Electronic resource]. – Available at: https://www.itascacg.com/software/new- contact-models-in-pfc – Title from the screen. – Accessed : 21.11.2019. 17. PFC Contact Models [Electronic resource]. – Available at: https://www.itascacg.com/software/pfc-contact- models – Title from the screen. – Accessed : 21.11.2019. 18. Stiffness and strength of structural layers from cohesionless material / U. Gerber, M. Sysyn, J. Zarour, O. Nabochencko // Archives of Transport. – 2019. – Vol. 49. – Iss. 1. – P. 59–68. doi: 10.5604/01.3001.0013.2776

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/194472 © E. Juhasz, M. R. Movahedi, I. Fekete, S. Fischer, 2019

113 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

Е. ЮХАС1, Р. М. МОВАХЕДІ2*, І. ФЕКЕТЕ3*, С. ФІШЕР4*

1*Каф. «Інфраструктура транспорту й гідротехніка», Університет Іштвана Сечені, пл. Університетська, 1, Дьєр, Угорщина, 9026, тел. + 36 (96) 613 544, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-5544-3146 2*Каф. «Будівельне проектування і геотехніка», Університет Іштвана Сечені, пл. Університетська, 1, Дьєр, Угорщина, 9026, тел. + 36 (96) 503 400 3202, ел. пошта [email protected]@sze.hu, ORCID 0000-0002-8393-724X 3*Каф. «Матеріалознавство і технологія», Університет Іштвана Сечені, пл. Університетська, 1, Дьєр, Угорщина, 9026, тел. + 36 (96) 613 582, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-1835-7000 4*Каф. «Інфраструктура транспорту й гідротехніка», Університет Іштвана Сечені, пл. Університетська, 1, Дьєр, Угорщина, 9026, тел. + 36 (96) 613 544, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0001-7298-9960

ДИСКРЕТНО-ЕЛЕМЕНТНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РУЙНУВАННЯ ЧАСТОК ЗАЛІЗНИЧНОГО БАЛАСТНОГО МАТЕРІАЛУ ЗА ДОПОМОГОЮ ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ PFC3D

Мета. Визначення точного руйнування часток залізничного баластного матеріалу є досить важливою проблемою. Для цього існують три різні, але пов’язані між собою методики: 1) повномасштабні польові ви- пробування; 2) повномасштабні або скорочені лабораторні випробування; 3) комп’ютерне моделювання, в основному з використанням методу дискретних елементів (МДЕ). Перший і другий варіанти вимагають багато часу і грошей, а для третього варіанта потрібне складне програмне забезпечення, яке може врахову- вати точні мікромеханічні характеристики матеріалу баластного шару. Метою цієї роботи є розробка методу, який дозволяє визначати більш точне руйнування баласту, а також розробка методології оцінки, пов’язаної зі спеціальними методами вимірювання (наприклад, методами GOM, комп’ютерною томографією тощо). Методика. У цій роботі автори підводять підсумки проведеного моделювання з використанням програмно- го забезпечення, що застосовує для розрахунку МДЕ, а також лабораторних випробувань, а саме скорочених випробувань на одновісне стискання, і комп’ютерної томографії. Результати. Автори отримали результати, згідно з якими лабораторні випробування на одновісне стискання можна було змоделювати за допомогою програмного забезпечення МДЕ з початковою точністю, що в подальшому потребує вдосконалення. Резуль- тати підтверджені вимірюваннями, виконаними методом комп’ютерної томографії. Наукова новизна. Мо- делювання руйнування часток залізничного баласту, а не тільки їх руху, у програмному забезпеченні МДЕ є складним завданням. Сьогодні на ринку є багато доступного програмного забезпечення, наприклад, PFC, EDEM, YADE. Одні програми досить дорогі, іншими складно управляти (необхідна спеціальна методика програмування, командна лінія тощо). Для своїх досліджень автори застосували не тільки лабораторні нава- нтажувальні випробування, але й складну комп’ютерну томографію. Практична значимість. Результати цього дослідження можна застосовувати в галузі залізничного будівництва. Дана робота є частиною дослі- дження в аспірантурі Університету Іштвана Сечені, виконана аспіранткою Ерікою Юхас. Її метою є розробка методу, що дозволяє визначити більш точне руйнування баластного шару, а також розробка методології оцін- ки, пов'язаної зі спеціальними методами вимірювання (наприклад, методами GOM, комп'ютерною томогра- фією і т. д.). Публікація цієї статті підтримана проектом ÚNKP–19–3–I–SZE–13. Ключові слова: дискретно-елементне моделювання; руйнування часток; розлом; лабораторні випробуван- ня; випробування на статичне пресування; КТ-обладнання

Е. ЮХАС1*, Р. М. МОВАХЕДИ2*, И. ФЕКЕТЕ3*, С. ФИШЕР4*

1*Каф. «Инфраструктура транспорта и гидротехника», Университет Иштвана Сечени, пл. Университетская, 1, Дьер, Венгрия, 9026, тел. + 36 (96) 613 544, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-5544-3146 2*Каф. «Строительное проектирование и геотехника», Университет Иштвана Сечени, пл. Университетская, 1, Дьер, Венгрия, 9026, тел. + 36 (96) 503 400 3202, эл. почта [email protected]@sze.hu, ORCID 0000-0002-8393-724X 3*Каф. «Материаловедение и технология», Университет Иштвана Сечени, пл. Университетская, 1, Дьер, Венгрия, 9026, тел. + 36 (96) 613 582, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-1835-7000 4*Каф. «Инфраструктура транспорта и гидротехника», Университет Иштвана Сечени, пл. Университетская, 1, Дьер, Венгрия, 9026, тел. + 36 (96) 613 544, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0001-7298-9960

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/194472 © E. Juhasz, M. R. Movahedi, I. Fekete, S. Fischer, 2019

114 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

ДИСКРЕТНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ ЧАСТИЦ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО БАЛЛАСТНОГО МАТЕРИАЛА С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ PFC3D

Цель. Определение точного разрушения частиц железнодорожного балластного материала является крайне важной проблемой. Для этого существует три разные, но связанные между собой методики: 1) полномасштабные полевые испытания; 2) полномасштабные или сокращенные лабораторные испытания; 3) компьютерное моделирование, в основном с использованием метода дискретных элементов (МДЭ). Пер- вый и второй варианты требуют много времени и денег, а для третьего варианта требуется сложное про- граммное обеспечение, которое может учитывать точные микромеханические характеристики материала балластного слоя. Целью этой работы является разработка метода, позволяющего определять более точное разрушение балласта, а также разработка методологии оценки, связанной со специальными методами измере- ния (например, методами GOM, компьютерной томографией и т. д.). Методика. В данной работе авторы под- водят итоги проведенного моделирования с использованием программного обеспечения, использующего для расчета МДЭ, а также лабораторных испытаний, а именно сокращенных испытаний на одноосное сжатие, и компьютерной томографии. Результаты. Авторы получили результаты, согласно которым лабораторные испытания на одноосное сжатие можно было смоделировать с помощью программного обеспечения МДЭ с первоначальной точностью, что в дальнейшем требует усовершенствования. Результаты подтверждены измерениями, выполненными методом компьютерной томографии. Научная новизна. Моделирование раз- рушения частиц железнодорожного балласта, а не только их движения, в программном обеспечении МДЭ яв- ляется очень сложной задачей. Сегодня на рынке есть много доступного программного обеспечения, напри- мер, PFC, EDEM, YADE. Одни программы довольно дорогие, другими сложно управлять (необходима специальная методика программирования, командная линия и т. д.). Для своих исследований авторы применили не только лабораторные нагрузочные испытания, но и сложную компьютерную томографию. Практическая значимость. Результаты данного исследования можно быть применять в области железнодо- рожного строительства. Данная работа является частью исследования в аспирантуре Университета Иштвана Сечени, выполненная аспиранткой Эрикой Юхас. Ее целью является разработка метода, позволяющего опре- делить более точное разрушение балластного слоя, а также разработка методологии оценки, связанной со спе- циальными методами измерения (например, методами GOM, компьютерной томографией и т. д.). Публикация данной статьи поддержана проектом ÚNKP–19–3–I–SZE–13. Ключевые слова: дискретно-элементное моделирование; разрушение частиц; разлом; лабораторные ис- пытания; испытание на статическое прессование; КТ-оборудование

REFERENCES 1. Kurhan, M. B., Kurhan, D. M., Brazhnyk, M. Y., & Kovalskyi, D. L. (2019). Features of stress-strain state of the dual railway gauge. Science and Transport Progress, 1(79), 51-63. doi: 10.15802/stp2019/158471 (in Ukrainian) 2. Fischer, S. (2012). A vasúti zúzottkő ágyazat alá beépített georácsok vágánygeometriát stabilizáló hatásának vizsgálata: PhD thesis. Győr. (in Hungarian) 3. Fischer, S., Nemeth, A., Harrach, D., & Juhasz, E. (2018). Specific assessment method of railway ballast particle degradation based on unique laboratory test. Science and Transport Progress, 3(75), 87-94. doi:10.15802/stp2018/134655 (in English) 4. Gálos, M., & Orosz, Á. (2019). Ágyazati kőanyagok viselkedésének vizsgálata ismételt terhelés hatására, Sínek Világa, 65(1), 10-15. (in Hungarian) 5. GOM Metrology Systems. Retrieved from: https://www.gom.com/metrology-systems.html. (in English) 6. Juhász, E., & Fischer, Sz. (2019). A vasúti ágyazati szemcsék degradációjának mérése laboratóriumi körülmé- nyek között. Sínek Világa, 65(5), 2-12. (in Hungarian) 7. Juhász, E., Movahedi, R. M., Fischer, Sz. (2019). A vasúti zúzottkő ágyazati kőanyagok aprózódásának diszkrét elemes modellezése. Sínek Világa, 65(6), 2-10. (in Hungarian) 8. Juhász, E., & Fischer, Sz. (2019). Individual laboratory test method for railroad ballast particle breakage, Con- ference on Transport Sciences. Győr. Retrieved from https://u.to/H49pFQ (in English) 9. Juhász, E., & Fischer, Sz. (2019). Investigation of railroad ballast particle breakage. Pollack Periodica, 14(2), 3-14. doi: 10.1556/606.2019.14.2.1 (in English)

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/194472 © E. Juhasz, M. R. Movahedi, I. Fekete, S. Fischer, 2019

115 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

10. Juhász, E., & Fischer, Sz. (2018). Investigation of railway ballast materials’ particle degradation with special laboratory test method, 14th Miklós Iványi PhD & DLA Symposium. Pécs. Retrieved from https://clck.ru/G4KnU (in English) 11. Juhász, E., & Fischer, Sz. (2019). Railroad Ballast Particle Breakage with Unique Laboratory Test Method. Acta Technica Jaurinensis, 12(1), 26-54. doi: 10.14513/actatechjaur.v12.n1.489 (in English) 12. Juhász, E., & Fischer, Sz. (2019). Specific Evaluation Methodology of Railway Ballast Particles’ Degradation. Science and Transport Progress, 3(81), 96-109. doi: 10.15802/stp2019/171778 (in English) 13. Kozma, I., Fekete, I., Zsoldos, I. (2017). Failure Analysis of Aluminum – Ceramic Composites. Materials Sci- ence Forum, 885, 286-291. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.885.286 (in English) 14. Kurhan, D. M. (2016). Determination of Load for Quasi-static Calculations of Railway Track Stress-strain State. Acta Technica Jaurinensis, 9(1), 83-96. doi: 10.14513/actatechjaur.v9.n1.400 (in English) 15. Sysyn, M., Kovalchuk, V., Gerber, U., Nabochenko, O., & Parneta, B. (2019). Laboratory evaluation of railway ballast consolidation by the non-destructive testing. Communications, 21(2), 81-88. (in English) 16. New Contact Models in PFC. Retrieved from: https://www.itascacg.com/software/new-contact-models-in-pfc (in English) 17. PFC Contact Models. Retrived from: https://www.itascacg.com/software/pfc-contact-models (in English) 18. Gerber, U., Sysyn, M., Zarour, J., & Nabochencko, O. (2019). Stiffness and strength of structural layers from cohesionless material. Archives of Transport, 49(1), 59-68. doi: 10.5604/01.3001.0013.2776 (in English)

Received: July 30, 2019 Accepted: November 14, 2019

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/194472 © E. Juhasz, M. R. Movahedi, I. Fekete, S. Fischer, 2019

116 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

УДК 004.43

І. М. СТОРЧАК1*, О. П. ІВАНОВ2*

1*Каф. «Комп’ютерні інформаційні технології», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056) 373 15 35, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-8434-9765 2*Каф. «Комп’ютерні інформаційні технології», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056) 373 15 35, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-1259-6377

АНАЛІЗ МЕХАНІЗМІВ ТА ЕФЕКТИВНОСТІ СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ МОВ ФУНКЦІОНАЛЬНОГО ПРОГРАМУВАННЯ

Мета. Автори ставлять за мету встановити відмінності функціональних мов програмування, з`ясувати можливості найбільш популярних мов шляхом їх порівняння та аналізу. Для виявлення основних можливос- тей мов потрібно розглянути їх структури даних, а також сфери застосування. Виконати аналіз та порівнян- ня прикладів із різних сфер використання мов за метриками складності текстів програм. Методика. Відібра- но п’ять найпопулярніших спеціалізованих функціональних мов програмування: Erlang, Lisp, F#, Scala та Haskel. Для отримання інформації про можливості кожної мови вивчено їх структури даних, а також сфери застосування, проведено огляд офіційної документації. Експериментальну базу дослідження сформовано з текстів сучасних програмних систем, отриманих із відкритого джерела та підібраних за схожими напряма- ми застосування й однаковим обсягом тексту. Порівняльний аналіз прикладів програм виконано за метрика- ми Холстеда, які розраховують за допомогою спеціально розробленого програмного забезпечення. Аналіз отриманих оцінок якості виконано графічним способом. Результати. Розроблено програмне забезпечення, яке дозволяє отримати метрики Холстеда для вхідних текстів програм на таких мовах функціонального про- грамування, як Erlang, Lisp, F# та Scala. Складність синтаксису мови програмування Haskel не дозволила використати метрики для оцінки тексту, тому було проведено тільки огляд можливостей за документацією. За допомогою порівняльного аналізу показано відмінність мов та окреслено сфери їх використання. Викона- но порівняння прикладів різного об’єму з таких сфер використання, як задачі системного програмування, робота з графікою, математичні розрахунки, системи штучного інтелекту, веб-програмування тощо. Наукова новизна. Автори вперше провели порівняльний аналіз спеціалізованих мов за допомогою метрик складності текстів, який дозволив встановити, що мова Lisp має найменший словник і довжину коду, текст на Scala має найбільш структурований вигляд, а F# та Erlang відзначаються зайвою багатослівністю. Практична значимість. Отримані висновки та виміри допоможуть під час вибору найбільш ефективної мови функціонального програмування для вирішення конкретних завдань з урахуванням відмінностей у сферах застосування. Розроблене програмне забезпечення дозволяє виконувати виміри для різних текстів програм під час розробки та супроводу складних програмних систем. Ключові слова: функціональне програмування; метрики Холстеда; можливості мов; порівняння мов; спе- ціалізовані функціональні мови; Erlang; Haskel; Lisp; F#; Scala Вступ процедурна, об’єктно-орієнтована та функціо- нальна [14]. Процедурні та об’єктно- Мови програмування класифікують за сти- орієнтовані парадигми мутують або змінюють лями, які утворюють парадигмами програ- дані під час виконання програми. Об’єктно- мування. Загалом поширені такі парадигми, як орієнтована парадигма також заснована на Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195581 © І. М. Сторчак, О. П. Іванов, 2019

117 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

представленні програми у вигляді сукупності Методика об’єктів, кожен із яких є екземпляром певного Для порівняльного аналізу було обрано класу, а класи утворюють ієрархію спадкування п’ять найпопулярніших мов функціонального [10]. Це дозволяє проектувати і створювати до- програмування, для них розглянуто структуру сить складні системи. та виконано розрахунок метрик: З іншого боку, у чистому функціональному – Haskel – стандартизована функціональна стилі дані не існують самі по собі або незалеж- мова програмування загального призначення. но [7, 12]. Композиція функціональних викли- Є однією з найбільш популярних мов програ- ків із набором аргументів генерує кінцевий ре- мування з підтримкою відкладених обчислень зультат. У цілому, функціональне програму- [1, 13]; вання розглядає функції й дані як незмінні – Erlang – функціональна мова програму- об’єкти. Функції приймають дані й повертають вання з сильною динамічною типізацією, приз- їх перетвореними або якийсь інший тип даних. начена для створення розподілених обчислюва- У функціональному програмуванні функція льних систем [6]; ніколи не змінює вхідні дані або стан програми, – Lisp – сімейство мов програмування, про- функції повинні перетворювати дані [11, 13]. грами й дані в яких представлено системами Такі властивості дозволяють складати надійні лінійних списків символів. Для порівняння ви- програми, з меншим об’ємом тексту. Структура користано діалект Common Lisp [3]; функціональних програм дозволяє простіше – F# – це мультипарадигмальна мова про- виконувати їх у паралельному та розподілено- грамування з сімейства мов NET Framework, му режимі. що підтримує функціональне програмування разом з імперативним (процедурним) та Мета об’єктно-орієнтованим програмуванням [5]; Таким чином, виникає проблема аналізу ме- – Scala – мультипарадигмальна мова про- ханізмів функціональних мов та порівняння їх грамування, спроектована короткою й безпеч- можливостей і ефективності в тій чи іншій сфе- ною до типів, для простого і швидкого ство- рах застосування. Автори ставлять за мету про- рення компонентного програмного забезпечен- аналізувати тексти програм на обраних функці- ня, що поєднує можливості функціонального ональних мовах, виконати їх порівняння за ме- й об’єктно-орієнтованого програмування [2]. триками Холстеда. Джерелом для прикладів Розглянемо порівняння функціональних програм обрано систему збереження відкритого можливостей представлених мов (табл. 1). програмного забезпечення GitHub [8]. Таблиця 1 Порівняння функціональних можливостей мов Table 1 Comparison of language functionality

Мова Функціональна можливість Haskell Erlang Lisp F# Scala Декларації чистоти функцій + – – – –

Функції першого класу + + + + +

Анонімні функції + + + + + Лексичні замикання + + + + + Часткове застосування + – – + + Каринг + – – + +

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195581 © І. М. Сторчак, О. П. Іванов, 2019

118 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

Типи, структури даних і функціональні мо- 4. Лексичні замикання – це можливість ви- жливості мов: користовувати локальну або лямбда-функцію за 1. Декларації чистоти функції. У мовах про- межами функції-контейнера з автоматичним грамування чиста функція – це функція, яка: збереженням контексту (локальних змінних) – є детермінованою – має можливість по- останньої. вернення різних значень незважаючи на те, 5. Часткове застосування – можливість у ря- що їй передаються на вхід однакові значення ді мов програмування зафіксувати частину ар- вхідних аргументів; гументів багатомісної функції і створити іншу – не володіє побічними ефектами – наді- функцію з меншою кількістю аргументів. лена можливістю в процесі виконання своїх 6. Каринг – перетворення функції від бага- обчислень до модифікації значення глобаль- тьох аргументів на набір функцій, кожна з яких них змінних, реагування на виняткові ситуа- є функцією від одного аргумента. ції та виклик їх обробників. Із табл. 1 видно, що декларації чистоти фун- 2. Функції першого класу – це об’єкти пер- кцій підтримує тільки Haskell. Функції першого шого класу, тобто елементи, які можуть бути класу, анонімні функції та лексичні замикання передані як параметр або повернуті з функції. підтримують усі представлені мови, у той час 3. Анонімні функції – особливий вид функ- як часткове застосування й каринг не підтри- цій, які оголошують у місці використання. Во- мують тільки Erlang та Lisp. ни не отримують унікальний ідентифікатор для Розглянемо типи і структури даних які підт- доступу до них, тобто не можуть бути виклика- римують мови (табл. 2). ні за посиланням або на ім’я. Таблиця 2 Типи і структури даних функціональних мов Table 2 Types and structures of functional languages data

Мова Типи і структури даних Haskell Erlang Lisp F# Scala Кортежі + + + + + Алгебраїчні типи даних + – – + + Багатовимірні масиви + – + + +/– Динамічні масиви – – + +/– + Цикл foreach + +/– + + + Спискові включення + + + + + Цілі числа довільної довжини + + + + + Цілі числа з контролем границь – – + – –

Знак «+/–» означає, що підтримка здійсню- це найбільш загальний складовий тип, який ється за допомогою додавання сторонніх біблі- представляє собою тип-суму з типів-творів. отек, модулів або інших механізмів. 3. Багатовимірні масиви – так звані «масиви 1. Кортежі передбачають можливість повер- з масивів», тобто масив, який містить у собі ще нути з функції / методу кортеж (tuple) – неіме- один або кілька масивів. нований типу даних, що містить кілька безі- 4. Динамічні масиви характеризуються тим, менних полів довільного типу. що масив здатний змінювати свій розмір під 2. Алгебраїчні типи даних – в інформатиці час виконання програми. Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195581 © І. М. Сторчак, О. П. Іванов, 2019

119 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

5. Цикл foreach – спеціальний цикл для зру- змінній значення, що виходить за зазначені ра- чного перебору всіх елементів колекції (списку, мки, має викликати помилку. масиву, словника та ін.). Виходячи з табл. 2, кортежі, цикл foreach, 6. Спискові включення (абстракція списків, спискові включення й цілі числа довільної до- або спискові включення) у синтаксисі деяких вжини підтримують усі представлені мови. мов програмування – це спосіб компактного Erlang і Lisp не підтримують алгебраїчні типи описання операцій обробки списків. даних, тому що в динамічних мовах цей меха- 7. Цілі числа довільної довжини – підтримка нізм не має сенсу. цілих чисел необмеженої розрядності, тобто Багатовимірні масиви не підтримує тільки можливість записати як завгодно велике ціле Erlang. Динамічні масиви не підтримують число за допомогою літерала. Haskell та Erlang. Цілі числа з контролем гра- 8. Цілі числа з контролем границь – можли- ниць підтримує тільки Lisp, що трохи виділяє вість визначити тип, значеннями якого можуть цю мову серед інших. бути цілі числа тільки певного інтервалу, на- Розглянемо, для яких завдань застосовують приклад, –10–20, при цьому привласнення вибрані мови (табл. 3). Таблиця 3 Класи завдань, які вирішують функціональні мови Table 3 Classes of tasks that functional languages solve

Мова Класи завдань Haskell Erlang Lisp F# Scala

Системне програмування + – + – –

Робота з графікою + +/– +/– +/– –/+

Веб-програмування + +/– –/+ + +

Математичні розрахунки + +/– +/– ++ +

Завдання штучного інтелекту +/– ++ ++ +/– +/–

Багатопотокове програмування + ++ + + +

Робота з текстом + – + + +

Робота з базами даних + + + + +

Розробка ігор + + + – +/–

Мови й компілятори + – – + –

Кросплатформеність –/+ – +/– –/+ +/– Знак «+/–» означає, що мова підтримує цей підтримує обраний напрям завдань, але за до- напрям завдань, але практично не застосовуєть- помогою сторонніх бібліотек і фреймворку, це ся в ньому через складність реалізації або не- стає можливим. Знак «++» означає, що мова популярність. Знак «–/+» означає, що мова не є найбільш ефективною в цій категорії.

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195581 © І. М. Сторчак, О. П. Іванов, 2019

120 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

Знаки «+/–» і «–/+» указують на те, що ви- – TNUOprtr (Theoretical Number of Unique користання вибраної мови не рекомендовано Operators) – теоретичне число унікальних опе- в цьому напрямі завдань, тому варто вибрати раторів програми; більш відповідну мову. – TNUOprnd (Theoretical Number of Unique З усіх мов тільки Haskel та Erlang є строго Operands) – теоретичне число унікальних опе- функціональними мовами, решта ж мов є муль- рандів програми. типарадигмальними, тобто вони підтримують З огляду на введені позначення можна ви- функціональний, об’єктно-орієнтований та інші значити такі формули: підходи програмування, що робить їх більш – словник програми: універсальними. PD  NUOprtr NUOprnd ; Під час аналізу виявлено, що загалом усі мови підтримують описані в табл. 2 структури – теоретичний словник програми: даних, у деяких випадках за допомогою сто- ронніх бібліотек або механізмів. TPD  TNUOprtr TNUOprnd ; Хоча мова Haskellі є строго функціональ- – довжина програми: ною, її використовують у досить багатьох обла- стях, від роботи з базами даних і графічними PL  Noprtr Noprnd ; інтерфейсами до ігор, інтернет–додатків і сис- – теоретична довжина програми: темного програмування. Вона також досить

популярна в області фінансового програмуван- TPL NUOprtr log2 ( NUOprtr )  ня, аналізу ризиків, а також у системах підтри- мки прийняття рішень. NUOprndlog2 ( NUOprnd ) ; Мову Erlang, хоча й розроблену в основно- – об’єм програми: му для застосування в розподілених, стійких до відмов і паралельних системах реального часу, PS PL log2 PD ; активно використовують в інтернет технологі- ях, зокрема під час створення серверів, також – теоретичний об’єм програми:

вона має популярність під час розробки хмар- TPS TPL log2 TPD ; них систем. Для порівняння прикладів програм викорис- – рівень якості програми: тано прості й інформативні метрики Холсте- (2NUOprnd ) да[9], які належать до кількісних метрик і мет- Pml  ; рик складності. Обчислюють їх на підставі ана- NUOprtr Noprnd лізу числа рядків і синтаксичних елементів ви- – рівень якості програмування: хідного тексту програми. TPS Основу метрик Холстеда складають шість PnQL  ; вимірюваних характеристик програми: PS – NUOprtr (Number of Unique Operators) – – складність розуміння програми: число унікальних операторів програми, що включає символи-роздільники, імена процедур PS DUP  ; і знаки операцій (словник операторів); PnQL – NUOprnd (Number of Unique Operands) – число унікальних операндів програми (словник – трудомісткість кодування програми: операндів); 1 – Noprtr (Number of Operators) – загальне CCP  ; число операторів у програмі; PmQL – Noprnd (Number of Operands) – загальне – оцінка необхідних інтелектуальних число операндів у програмі; зусиль:

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195581 © І. М. Сторчак, О. П. Іванов, 2019

121 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

PD Аналіз метрик проведено тільки для чоти- ANI  TPL log ( ) . 2 PnQL рьох із вищеописаних мов, мова Haskell має дуже специфічний синтаксис, який важко під- дається обробці. Отримані результати предста- Результати влено за допомогою діаграм, які розбиті на два Для обчислення метрик Холстеда розробле- блоки. Приклади коду не наведено, оскільки но спеціальне програмне забезпечення. Прик- вони мають великий об’єм. лади програм узяті з інтернет-ресурсу GitHub Результати проведеного порівняння коду [8] – це найбільший веб-сервіс для хостингу програм для обчислення числа Фібоначчі наве- IT-проектів, який налічує тисячі проектів із від- дено на рис. 1 і 2. критим вихідним кодом.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Словник програми Довжина програми Теоретичний словник програми Теоретична довжина програми Об'єм програми Теоретичний об'єм програми

Erlang Lisp F# Scala

Рис. 1. Характеристики програм об’ємом менше 30 рядків коду Fig. 1. Program features with less than 30 lines of code

0 50 100 150 200 250

Рівень якості програми

Рівень якості програмування

Складність розуміння програми

Трудомісткість кодування програми

Оцінка необхідності інтелектуальних зусиль

Erlang Lisp F# Scala

Рис. 2. Розраховані метрики для програм об’ємом менше 30 рядків коду Fig. 2. Calculated metrics for programs less than 30 lines of code

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195581 © І. М. Сторчак, О. П. Іванов, 2019

122 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

Із наведених діаграм видно, що найменшим вибрано найбільш схожі програми, тобто на за обсягом є код на мові Lisp. Довжина і слов- різних мовах було реалізовано подібний ник у нього найменші з усіх, із цього випливає, функціонал. що значення інтелектуальних зусиль і тру- Перша сфера – це робота з графікою, домісткості кодування для нього найменші. (рис. 3, 4). Для порівняння взято приклади для Розглянемо порівняння текстів програм за роботи з анімацією і SVG. Кількість рядків ко- різними сферами застосування. Як приклади ду більша за 80, але менша за 120.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Словник програми

Довжина програми

Теоретичний словник програми

Теоретична довжина програми

Об'єм програми

Теоретичний об'єм програми

Складність розуміння програми

Оцінка необхідності інтелектуальних зусиль

Erlang Lisp F# Scala

Рис.3. Характеристики програм об’ємом від 80 до 120 рядків коду Fig. 3. Program features with a volume of 80 to 120 lines of code 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Рівень якості програми

Рівень якості програмування

Трудомісткість кодування програми

Erlang Lisp F# Scala

Рис. 4. Розраховані метрики для програм об’ємом від 80 до 120 рядків коду Fig. 4. Calculated metrics for programs with a volume of 80 and 120 lines of code Із наведених результатів видно, що словник ють два приклади – на мові Scala й Erlang. До- усіх програм практично однаковий, але за дов- вжина в них менша порівняно з іншими й май- жиною і за обсягом у явному відриві виступа- же однакова, якщо порівнювати їх між собою, Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195581 © І. М. Сторчак, О. П. Іванов, 2019

123 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

але за обсягом код Scala трохи менший ніж Scala, як уже зазначалося вище, виглядав більш у Erlang. В одночас код на Scala у 2 рази посту- громіздко і мав довгі однорядкові конструкції. пається за складністю розуміння коду на мові Далі виконано порівняння прикладів веб- Erlang, на це вплинув рівень якості програму- програмування. Усі приклади реалізовують ро- вання, який у Scala трохи нижчий ніж у Erlang. боту веб-сервера. Діаграми представлені на Код на мові Erlang виглядав більш структуро- рис. 5 і 6. Кількість рядків коду більше 100, але вано, був розбитий на блоки, а код на мові менше 150.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Словник програми

Довжина програми

Теоретичний словник програми

Теоретична довжина програми

Об'єм програми

Теоретичний об'єм програми

Складність розуміння програми

Оцінка необхідності інтелектуальних зусиль

Erlang Lisp F# Scala

Рис. 5. Характеристики програм об’ємом від 100 до 150 рядків коду Fig. 5. Features of programs with a volume of 100 to 150 lines of code

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Рівень якості програми

Рівень якості програмування

Трудомісткість кодування програми

Erlang Lisp F# Scala

Рис. 6. Розраховані метрики для програм об’ємом від 100 до 150 рядків коду Fig. 6. Calculated metrics for 100 to 150 lines of code

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195581 © І. М. Сторчак, О. П. Іванов, 2019

124 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

Для реалізації веб-сервера, приклад на мові показники, як довжина й обсяг у нього найбі- Lisp налічує найменшу кількість рядків коду. льші. Разом із низьким показником рівня якості Це видно з діаграм: словник, довжина й обсяг програми це вивело Erlang на останнє місце за у нього найменші. Але за складністю розуміння складністю її розуміння. приклад на мові Scala трохи виграє у прикладу Далі розглянуто реалізацію задач штучного на мові Lisp, на це вплинув рівень якості про- інтелекту, результати наведено на рис. 7 і 8. грами, який у Scala, виходячи з графіків, вищий Для розрахунку метрик використано приклади ніж у Lisp. Наймісткішим у цьому завданні ви- з реалізацією алгоритмів із книги про штучний явився приклад на мові Erlang, у нього найбі- інтелект [4]. Кількість рядків коду – від 100 до льша кількість рядків коду. Хоча словник про- 150. грами у нього не найбільш об’ємний, але такі

0 1000 2000 3000 4000 5000

Словник програми

Довжина програми

Теоретичний словник програми

Теоретична довжина програми

Об'єм програми

Теоретичний об'єм програми

Складність розуміння програми Оцінка необхідності інтелектуальних зусиль Erlang Lisp F# Scala

Рис. 7. Характеристики програм об’ємом від 100 до 150 рядків коду Fig. 7. Features of programs with a volume of 100 to 150 lines of code

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Рівень якості програми Рівень якості програмування Трудомісткість кодування програми

Erlang Lisp F# Scala

Рис. 8. Діаграма з розрахованими метриками, від 100 до 150 рядків коду Fig. 8. Diagram with calculated metrics with a volume of 100 to 150 lines of code Із діаграм видно, що приклади на мовах Lisp має найменшу кількість рядків коду. Сам код та F# сильно відрізняються від інших. Lisp має розбито на невеликі блоки, і він досить читабе- найменші показники довжини, обсягу та склад- льний. Найбільші показники виявилися у про- ності розуміння коду. Приклад на Lisp також грамі на мові F#. У ній також найбільша кіль- Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195581 © І. М. Сторчак, О. П. Іванов, 2019

125 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

кість рядків коду. Вона має багато об’ємних Далі розглянуто програми, які використо- конструкцій, які ускладнюють читання коду вують роботу з базами даних. Для розрахунку програми. Крім того, конструкції переповнені метрик обрані приклади з CRUD – запитами до характерними для мови F# символами. баз даних, результати наведено на рис. 9 і 10. Кількість рядків коду – від 100 до 120.

0 0.5 1 1.5 2

Рівень якості програми Рівень якості програмування Трудомісткість кодування програми Erlang Lisp F# Scala

Рис. 9. Характеристики програм об’ємом від 100 до 120 рядків коду Fig. 9. Features of programs with a volume of 100 to 120 lines of code

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Словник програми

Довжина програми

Теоретичний словник програми

Теоретична довжина програми

Об'єм програми

Теоретичний об'єм програми

Складність розуміння програми

Оцінка необхідності інтелектуальних зусиль

Erlang Lisp F# Scala

Рис. 10. Розраховані метрики для програм об’ємом від 100 до 120 рядків коду Fig. 10. Calculated metrics for 100 to 120 lines of code Приклад на мові F# є найбільш об’ємним. Довжина програми, її об’єм і складність розу- Наукова новизна та практична міння набагато вищі ніж в інших. Під час аналі- значимість зу коду з’ясовано, що F# використовує багато У цій роботі вперше представлено методику громіздких конструкцій порівняно з іншими порівняння функціональних мов програмування прикладами, це суттєво знизило читабельність за допомогою аналізу прикладів програм, коду. Найменш громіздким виявився приклад отриманих із відкритих джерел. Розроблено на мові Lisp. Майже за всіма показниками він автоматизовану систему, яка виконує розраху- обходить інші приклади. Хоча він і мав кілька нки за допомогою метрик Холстеда. об’ємних запитів, але їх було мало, в основно- Отримані висновки та виміри допоможуть му запити були акуратно розбиті на блоки під час вибору найбільш ефективної мови фун- і зручні для читання. Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195581 © І. М. Сторчак, О. П. Іванов, 2019

126 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

кціонального програмування для вирішення – мова Lisp у більшості прикладів має най- конкретних завдань з урахуванням відміннос- менший словник, об’єм і довжину коду. І май- тей у сферах застосування. Розроблене програ- же у всіх випадках приклади на мові Lisp налі- мне забезпечення дозволяє виконувати виміри чували найменшу кількість рядків коду, ця про- для різних текстів програм під час розробки та грама більш компактна порівняно з іншими мо- супроводу складних програмних систем. вами програмування; – мова F#, як і Erlang має проблеми із зай- Висновки вою багатослівністю записів і великим об’ємом У роботі розроблено програмне забезпечен- програм, що приводить до зниження читабель- ня, що дозволяє порівнювати приклади програм ності коду; на різних мовах функціонального програму- – мова Scala має досить непогану структуру вання. Проведене порівняння дає можливість коду, функції не нагромаджені й загалом зручні окреслити такі висновки: для читання. Лише в деяких випадках приклади – тексти програм на мові Erlang мають зай- на мові Scala поступалися за обсягом складніс- ву багатослівність, що збільшує об’єм програм тю розуміння коду, написаному на мові Lisp. і призводить до зниження читабельності коду;

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. Душкин, Р. В. Практика работы на языке Haskell / Р. В. Душкин // Москва : ДМК Пресс, 2016. – 286 с. 2. Одерски, М. Scala. Профессиональное программирование / М. Одерски, Л. Спун, Б. Веннерс. – Питер, 2016. – 688 с. 3. Питер, С. Практическое использование Common Lisp / С. Питер. – Москва : ДМК Пресс, 2017. – 488 с. 4. Рассел, С. Искусственный интеллект. Современный подход. 2-е изд. / С. Рассел, П. Норвиг. – Москва : Вильямс, 2007. – 1410 с. 5. Смит, К. Программирование на F# / К. Смит. – Москва : Символ–Плюс, 2011. – 448 с. 6. Чезарини, Ф. Программирование в Erlang / Ф. Чезарини, С. Томпсон. – Москва : ДМК Пресс, 2015. – 488 с. 7. Dalorzo, E. Functional Programming with Java 8 Functions [Електронний ресурс] / E. Dalorzo. – Режим доступу: https://dzone.com/articles/functional-programming-java-8 – Назва з екрана. – Перевірено : 25.11.2019. 8. GitHub [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://github.com – Назва з екрана. – Перевірено : 25.11.2019. 9. Halstead, Maurice H. Elements of Software Science / Maurice H., Halstead. – New York : North Holland, 1977. – 127 р. 10. Hunt, J. A Beginner’s Guide to Scala, Object Orientation and Functional Programming / J. Hunt. – Springer International Publishing, 2018. – 531 р. doi: 10.1007/978-3-319-75771-1 11. Michaelson, G. An introduction to functional programming through lambda calculus / G. Michaelson. – Dover Publications, 2011. – 336 р. 12. Peyrott, S. Introduction to Immutable.js and Functional Programming Concepts [Електронний ресурс] / S. Peyrott. – Режим доступу: https://auth0.com/blog/intro-to-immutable-js/ – Назва з екрана. – Перевірено : 25.11.2019. 13. Synthesizing functional reactive programs / B. Finkbeiner, F. Klein, R. Piskac, M. Santolucito // Haskell 2019 : Proceedings of the 12th ACM SIGPLAN International Symposium on Haskell. – 2019. – Р. 162–175. doi: 10.1145/3331545.3342601 14. Wang, M. Trends in Functional Programming / M. Wang, S. Owens // 18th International Symposium. – Springer, 2017. – 149 p. doi: 10.1007/978-3-319-89719-6

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195581 © І. М. Сторчак, О. П. Іванов, 2019

127 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

И. М. СТОРЧАК1*, А. П. ИВАНОВ2*

1*Каф. «Компьютерные информационные технологии», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 35, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-8434-9765 2*Каф. «Компьютерные информационные технологии», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 35, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-1259-6377

АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ И ЭФФЕКТИВНОСТИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАНЫХ ЯЗЫКОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Цель. Авторы ставят целью определить отличия функциональных языков программирования, выявить возможности наиболее популярных языков путём их сравнения и анализа. Для выявления основных воз- можностей нужно рассмотреть их структуры данных, а также сферы применения. С помощью метрик слож- ности текстов программ провести анализ и сравнение примеров из различных сфер использования языков. Методика. Отобраны пять самых популярных специализированных функциональных языков программиро- вания: Erlang, Lisp, F #, Scala и Haskel. Для получения информации о возможностях каждого из языков изу- чены их структуры данных, а также сферы применения, проведен обзор официальной документации. Экспе- риментальная база исследования сформирована из текстов существующих программных систем, получен- ных из открытого источника и подобранных по схожим направлениям применения и одинаковым объемам текста. Сравнительный анализ примеров программ выполнен по метрикам Холстеда, которые рассчитывают с помощью специально разработанного программного обеспечения. Анализ полученных оценок качества выполнен графическим способом. Результаты. Разработано программное обеспечение, которое позволяет получить метрики Холстеда, для входных текстов программ на таких языках функционального программи- рования, как Erlang, Lisp, F # и Scala. Сложность синтаксиса языка программирования Haskel не позволила использовать метрики для оценки текста, поэтому было проведено только рассмотрение возможностей по документации. С помощью сравнительного анализа показано различие языков и очерчены сферы их исполь- зования. Выполнено сравнение примеров разного объема из таких сфер использования, как задачи систем- ного программирования, работа с графикой, математические расчеты, системы искусственного интеллекта, веб-программирование и т. п. Научная новизна. Авторы впервые провели сравнительный анализ специали- зированных языков с помощью метрик сложности текстов, который позволил установить, что язык Lisp имеет самый меньший словарь и длину кода, текст на Scala имеет наиболее структурированный вид, а F # и Erlang отмечаются излишней многословностью. Практическая значимость. Полученные выводы и изме- рения помогут при выборе наиболее эффективного языка функционального программирования для решения конкретных задач с учётом различий в сферах применения. Разработанное программное обеспечение позво- ляет выполнять измерения для разных текстов программ при разработке и сопровождения сложных про- граммных систем. Ключевые слова: функциональное программирование; метрики Холстеда; возможности языков; сравне- ние языков; специализированные функциональные языки; Erlang; Haskel; Lisp; F#; Scala

I. M. STORCHAK1*, O. P. IVANOV2*

1*Dep. «Computer Information Technology», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (098) 971 29 48, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-8434-9765 2*Dep. «Computer Information Technology», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (098) 971 29 48, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-1259-6377

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195581 © І. М. Сторчак, О. П. Іванов, 2019

128 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

ANALYSIS OF MECHANISMS AND EFFICIENCY OF SPECIALIZED LANGUAGES OF FUNCTIONAL PROGRAMMING

Purpose. The authors aim to determine the differences between functional programming languages, to identify the capabilities of the most popular languages by comparing and analyzing them. To identify the main features, it is necessary to consider their data structures, as well as the application scope. The authors also aim to analyze and compare examples from various fields of language application using metrics of the program texts complexity. Methodology. The five most popular specialized functional languages are selected: Erlang, Lisp, F #, Scala and Haskel. An overview of the official documentation was conducted to obtain information on the capabilities of each language; their data structures and the application scope were studied. The experimental research base is formed from texts of the existing open source software systems and matched by similar applications and equal volume of text. Comparative analysis of sample programs is performed using Halsted metrics, which are calculated using spe- cially designed software. The analysis of the received quality assessments is done graphically. Findings. Software has been developed to obtain Halsted metrics for program input texts in functional programming languages such as Erlang, Lisp, F # and Scala. The complexity of the Haskel programming language syntax did not allow the use of metrics to evaluate the text, so only a documentation review was performed. Benchmarking shows the differences between languages and outlines their use. The examples of different volumes from such areas of application as system programming tasks, graphing, mathematical calculations, AI systems, web programming, etc. were compared. Originality. The authors first conducted a comparative analysis of specialized languages using text complexity metrics, which made it possible to establish that Lisp has the smallest vocabulary and code length, Scala text has the most structured form, and F # and Erlang are marked with extra verbosity. Practical value. The findings and measurements will help in selecting the most effective functional programming language for solving specific problems, taking into account differences in applications. The developed software allows making measurements for various program texts when developing and maintaining complex software systems. Keywords: functional programming; Halstead metrics; language capabilities; language comparison; specialized functional languages; Erlang Haskel Lisp; F #; Scala

REFERENCES 1. Dushkin, R.V. Practice works in Haskell. (2016). Moscow: DMK Press. (in Russian) 2. Odersky, M., Spoon, L., & Venners, B. (2011). Programming in Scala. Piter. (in Russian) 3. Piter, S. Practical Common Lisp. (2017). Moscow: DMK Press. (in Russian) 4. Russell, S., & Norvig, P. (2007). Artificial intelligence. The modern approach. 2nd Edition. Moscow: Williams. (in Russian) 5. Smit, K. Programmirovanie na F#. (2011). Moscow: Simvol–Plyus. (in Russian) 6. Cesarini, F., & Thompson, S. Programming in Erlang. Moscow: DMK Press. (in Russian) 7. Dalorzo, E. Functional Programming with Java 8 Functions. Retrieved from https://dzone.com/articles/ functional-programming-java-8 8. GitHub. Retrieved from https://github.com. (in English) 9. Halstead, Maurice H. (1977). Elements of Software Science. New York: North Holland. (in English) 10. Hunt, J. (2018). A Beginner’s Guide to Scala, Object Orientation and Functional Programming. Springer International Publishing. doi: 10.1007/978-3-319-75771-1 (in English) 11. Michaelson, G. (2011). An introduction to functional programming through lambda calculus. Courier Corporation. (in English) 12. Peyrott, S. (2016). Introduction to Immutable.js and Functional Programming Concepts. Retrieved from https://auth0.com/blog/intro-to-immutable-js/ (in English) 13. Synthesizing functional reactive programs / B. Finkbeiner, F. Klein, R. Piskac, M. Santolucito // Haskell 2019 : Proceedings of the 12th ACM SIGPLAN International Symposium on Haskell. – 2019. – Р. 162–175. doi: 10.1145/3331545.3342601(in English) 14. Wang, M. & Owens, S. Trends in Functional Programming. 18th International Symposium, 149. doi: 10.1007/978-3-319-89719-6

Надійшла до редколегії: 02.08.2019 Прийнята до друку: 11.11.2019

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195581 © І. М. Сторчак, О. П. Іванов, 2019

129 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

МАШИНОБУДУВАННЯ

УДК 656.212.6.073.21:[621.874:519.852]

С. М. ТУРПАК1*, Л. О. ВАСИЛЬЄВА2*, О. О. ПАДЧЕНКО3*, Г. О. ЛЕБІДЬ4*

1*Каф. «Транспортні технології», Національний університет «Запорізька політехніка», вул. Жуковського, 64, Запоріжжя, Україна, 69061, тел. +38 (067) 981 71 18, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-3200-8448 2*Каф. «Транспортні технології», Національний університет «Запорізька політехніка», вул. Жуковського, 64, Запоріжжя, Україна, 69061, тел. +38 (067) 800-96-14, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-4029-3851 3*Каф. «Транспортні технології», Національний університет «Запорізька політехніка», вул. Жуковського, 64, Запоріжжя, Україна, 69061, тел. +38 (097) 355-94-13, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-5262-2755 4*Каф. «Транспортні технології», Національний університет «Запорізька політехніка», вул. Жуковського, 64, Запоріжжя, Україна, 69061, тел. +38 (096) 671-83-73, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0001-5005-2923

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ ПУНКТІВ НАВАНТАЖЕННЯ МЕТАЛОПРОДУКЦІЇ РАЦІОНАЛЬНИМ ВИКОРИСТАННЯМ МОСТОВИХ КРАНІВ

Мета. Ураховуючи необхідність вдосконалення транспортно-складських процесів навантаження заліз- ничних вагонів мостовими кранами, за мету дослідження ми ставимо аналіз фактичних зон роботи кранів, розробку імітаційних моделей їх функціонування та встановлення найбільш ефективної технології наванта- ження. Реальний об’єкт дослідження – склад готової продукції металургійного підприємства, – формалізо- вано у вигляді лінійного фронту навантаження. Методика. Для аналізу роботи досліджуваного об’єкта за різними варіантами робочих зон кранів використано метод імітаційного моделювання. Враховано, що кож- ний мостовий кран може завантажувати залізничні вагони, які знаходяться в різних зонах навантажувальної колії. Розглянуто ситуації, коли крани в ході виконання вантажних операцій знаходяться на одній підкрановій колії, і зона обслуговування групи вагонів частково співпадає. За таких умов крани можуть заважати один одному, що ускладнює виконання транспортно-технологічного процесу відвантаження. Результати. Розроблено імітаційну модель, у якій елементи обслуговування, що є окремими вантажними місцями, переміщуються за визначеними маршрутами. Вантажопотоки задають за визначеними законами розподілу випадкової величини, що враховує стохастичний характер реальних транспортних процесів. Роз- роблена модель роботи лінійного фронту навантаження вагонів мостовими кранами дозволяє аналізувати показники ефективності різних варіантів закріплення навантажувальних засобів за зонами обслуговування. Виконано аналіз таких показників, як: середній час переміщення елементів обслуговування, відсоток часу простою та роботи кранів, витрати часу на окремі операції просування вантажопотоку. На основі імітаційної моделі розроблено процедуру визначення найбільш ефективної стратегії управління роботою вантажного фронту. Апробована на складі готової продукції металургійного підприємства методика дозволяє знизити загальні витрати в процесі відвантаження металопрокату. Наукова новизна. Новим у нашій роботі є теоре- тичне дослідження та вдосконалення моделей роботи транспортно-складського комплексу металургійного підприємства за рахунок раціонального закріплення кранів до зон розташування транспортних засобів, які навантажують. Практична значимість. Отримані результати дозволяють підвищити ефективність роботи транспортно-складського комплексу за рахунок скорочення часу перебування вагонів у системі в разі раціо- нального використання навантажувальних ресурсів. Ключові слова: металопродукція; мостовий кран; пункт навантаження; імітаційне моделювання

Creative Commons Attribution 4.0 International © С. М. Турпак, Л. О. Васильєва, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195757 О. О. Падченко, Г. О. Лебідь, 2019

130 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

МАШИНОБУДУВАННЯ

Вступ Методика У наш час форми взаємодії виробництва та Об’єктом дослідження є склад, який працює транспорту недостатньо ефективні, потребують за технологією навантаження вагонів мостови- удосконалення системи прийняття управлінсь- ми кранами. ких рішень [5, 9, 10]. Окрім цього, важко розме- Предметом дослідження є транспортно- жувати їх сфери. Так, під час відвантаження про- технологічні процеси переміщення вантажу дукції металургійного підприємства задачею кранами. транспорту є організація своєчасної постановки Реальним об’єктом, на базі якого виконано та прибирання рухомого складу, а за виробницт- дослідження, є дільниця відвантаження цеху вом закріплена функція виконання нормативів на холодного прокату ПАТ «Запоріжсталь», яка вантажні операції. Внутрішньоцехові перемі- працює цілодобово в яку обслуговують мостові щення вантажів теж є частиною транспортного крани. процесу, але їх оптимізація не входить до перелі- Характерними рисами роботи пунктів нава- ку основних функцій виробничих підрозділів. нтаження металопродукції є значна площа те- Визначення факторів, які впливають на про- риторії, де зберігається вантаж, та використан- цес внутрішньоцехових перевезень, зокрема, ня мостових (козлових) кранів. у прокатному виробництві [1], є початковою Так, у цеху холодного прокату № 1 (ЦХП–1) ланкою в загальному ланцюзі досліджень у цій металургійного комбінату «Запоріжсталь» сфері. Після такого визначення можливе вста- площа, зайнята під зберігання металопрокату, новлення шляхів підвищення ефективності тра- складає більше ніж 1 0000 м2. Для обслугову- нспортування вантажів зокрема за рахунок вання складів готової продукції задіяно понад прийняття диспетчерським персоналом обґрун- 20 мостових кранів, а довжина прогонів складає тованих рішень [13]. від 90 до 250 м. За таких умов постає питання Одним із показників ефективності функціо- раціонального використання кранів, зокрема за нування вантажних фронтів металургійних під- рахунок визначення зон їх відокремленої та приємств є простій вагонів під вантажними спільної роботи. операціями [1]. Це підкреслює актуальність до- На рис. 1 схематично показано один із ван- сліджень у логістичному ланцюзі відвантажен- тажних фронтів відвантаження готової продук- ня металопродукції в транспортно-вантажному ції ЦХП–1, узятий для дослідження. Кожна по- комплексі [3, 4]. дача вагонів на вантажний фронт складає Окрім оптимізаційних задач транспорту, не- 21 одиницю обхідно забезпечити безперервність виробни- Вантажний фронт можна розглядати як сис- чих процесів, раціональне використання склад- тему масового обслуговування, а транспортні ських площ за рахунок зменшення запасів ван- засоби – це вхідні потоки вимог [11, 12]. У цій тажів [2, 8]. системі апаратами обслуговування є технічні Таким чином, задачі ефективної організації засоби виконання вантажних робіт. Наванта- взаємодії прокатних цехів і транспорту [6, 7], ження виконують одночасно групи вагонів: мо- зокрема за рахунок раціонального використан- стові крани обслуговують вхідні та вихідні по- ням мостових кранів, є актуальними та потре- токи. бують подальших досліджень. Рулони або пачки металопрокату з ділянки пакування передаються між прогонами мосто- Мета вих кранів трансферкарними візками. Ураховуючи необхідність вдосконалення Після подачі на вантажний фронт металоп- транспортно-складських процесів навантажен- рокат укладають у зоні видачі складу готової ня залізничних вагонів мостовими кранами, за- продукції або мостовим краном завантажують мету дослідження ми ставимо аналіз фактичних у вагони. Це залежить від даних формувальних зон роботи кранів, розробку імітаційних моде- карт, які складають на кожен вагон. лей їх функціонування та встановлення най- більш ефективної технології навантаження.

Creative Commons Attribution 4.0 International © С. М. Турпак, Л. О. Васильєва, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195757 О. О. Падченко, Г. О. Лебідь, 2019

131 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

МАШИНОБУДУВАННЯ

Рис. 1. Схема фронту відвантаження металопрокату Fig. 1. Scheme of the rolled metal shipment point Процес завантаження металопрокату на лі- Однак у разі збільшення потужності технічного нійному фронті було досліджено за умови ви- оснащення вантажного фронту зменшується про- користання двох мостових кранів. Навантажен- стій вагонів у процесі виконання вантажних опе- ня виконують одразу в декілька вагонів у різ- рацій, а також і обумовлені простоєм витрати. них точках колії навантаження. Відповідно до технології роботи дільниці За наявною технологією роботи чітко не ви- відвантаження ЦХП–1, металопрокат у пачках значені зони роботи кранів. Один мостовий та рулонах завантажують у залізничні вагони кран може завантажувати вагони, які знахо- мостовими кранами із зони зберігання. дяться в різних зонах навантажувальної колії. Під час дослідження транспортно- Оскільки крани, які виконують вантажні опера- складських процесів дослідним шляхом були ції, знаходяться на одній підкрановій колії, ви- отримані дані щодо відвантаження готової про- никають ситуації, коли зона обслуговування дукції із зони зберігання в залізничні вагони. вагонів співпадає. У такі моменти крани мо- Для подальшого моделювання необхідно жуть заважати один одному. знати середні значення ваги одного вантажного Таким чином, реальний об’єкт дослід- місця та їхньої кількості у вагоні. ження – це лінійний фронт навантаження міст- Середню вагу вантажного місця визначаємо кістю 21 вагон, який обслуговують два мостові за формулою:

крани, розташовані на одній крановій колії. p r Ураховуючи значну кількість параметрів MR сер ii11 роботи складів металопрокату та стохастичний Qвант.м  , (1) характер надходження продукції, яку відванта- nmpr жують, доцільним є використання методу імі- таційного моделювання. де M – вага кожної пачки металу, т; R – вага Імітаційна модель дозволяє автоматично ви- кожного рулону металу, т; np – кількість пачок значити значення параметрів розглянутої сис- металу, од.; mr – кількість рулонів, од. теми, міняючи при цьому умови протікання За результатами обробки статистичних да- процесу й випадкові події, облік яких за тради- них, відвантаження металопрокату в пачках та ційних підходів викликає істотні ускладнення. рулонах отримали середню вагу одного ванта- жного місця 9,89 т. Результати Середню кількість вантажних місць, які за- вантажують в один вагон, розраховуємо за фо- Аналіз функціонування вантажних фронтів рмулою: показує, що в разі збільшення їх переробної спроможності збільшується кількість навантажу- qваг n  сер , (2) вально-розвантажувальних машин, що призво- Qвант.м дить до значних капітальних витрат та збільшен- ня експлуатаційних витрат на їх обслуговування. де qваг – середнє завантаження залізничного ва- гона, т; qваг = 62,8 т. Creative Commons Attribution 4.0 International © С. М. Турпак, Л. О. Васильєва, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195757 О. О. Падченко, Г. О. Лебідь, 2019

132 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

МАШИНОБУДУВАННЯ

На підставі зібраних статистичних даних практично завжди виконують навантаження будуємо гістограму (рис. 2) для визначення за- хоча б однієї партії – 20 хв. кону розподілу випадкової величини кількості Моделювання роботи вантажного фронту вантажних місць у вагонах. відвантаження металопрокату виконуємо за до- помогою програмного забезпечення Service Model, розробленого спеціально для поліпшен- ня процесів обслуговування. Використання йо- го дає можливість зменшити витрати на опера- ції обслуговування, час очікування в системах обслуговування, поліпшити використання різ- них ресурсів і якості обслуговування. Кількість варіантів спільного обслуговуван- ня вантажного фронту мостовими кранами зна- чна, тому для моделювання обираємо три варі- анти: – модель «7 – 4 – 3 – 7», коли зона спільно- го обслуговування складає 7 вагонів; – модель «9 – 1 – 1 – 10», коли зона спіль- Fig. 2. Distribution histogram of the number ного обслуговування складає 2 вагони; of cargo packages in cars – модель «3 – 8 – 7 – 3», коли зона спільно- Рис. 2. Гістограма розподілу кількості го обслуговування складає 15 вагонів. вантажних місць у вагонах Для базового моделювання створюємо мо- Метал відвантажують із зони складування дель «7 – 4 – 3 – 7», за якої обидва крани обслу- у певний час. Для спостережень узято обсяги говують групи по 14 вагонів, а групу із 7 ваго- відвантаження за інтервал часу. За тривалість нів завантажують двома кранами (рис. 3). цього інтервалу взято час, протягом якого

Рис. 3. Схема базової моделі обслуговування вантажного фронту мостовими кранами Fig. 3. Scheme of the basic model of cargo point servicing by bridge cranes У програмному середовищі Service Model Контрольні точки (Locations) являють собою блок «Елементи обслуговування» (Entity) пред- фіксовані місця моделі, через які проходять ма- ставляє собою деякий предмет, що підлягає об- ршрути руху елементів обслуговування, утво- слуговуванню. У нашому випадку це окремі рюються черги з цих елементів чи приймаються вантажні місця – пачки з металом та рулони рішення щодо їх подальшого руху. Кожна кон- металу. Кожний елемент обслуговування має трольна точка має визначену обмежену міст- ім’я, графічне зображення, швидкість руху, ро- кість, значенням якої можна керувати, тобто зміри та атрибути. Елемент обслуговування пе- у визначений момент часу в контрольній точці реміщується у моделі за визначеним маршру- може знаходитися один чи декілька елементів том, який передбачений логікою моделі та обслуговування. встановлений її розробником.

Creative Commons Attribution 4.0 International © С. М. Турпак, Л. О. Васильєва, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195757 О. О. Падченко, Г. О. Лебідь, 2019

133 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

МАШИНОБУДУВАННЯ

Контрольні точки представляють на робо- де сваг – кількість вагонів у визначеній групі, чому полі моделі у вигляді графічних елемен- ваг.; qпод – кількість подач вагонів на вантаж- тів. На вході й виході кожної контрольної точ- ний фронт за добу, подач. ки встановлюють порядок вибору й сортування Для контрольних точок 7–10, які відповіда- елементів обслуговування. ють групам вагонів, місткість, згідно з розраху- Усього в моделі розташовуємо 10 контроль- нками за формулою (2), становить відповідно: них точок, що відповідають шести зонам ділян- 89; 50; 39; 89 вантажних місць. Загальна єм- ки відвантаження, куди надходить металопро- ність – 267 місць. кат на трансферкарах (рис. 4), та чотирьом гру- Визначення потоків прибуття. За допомо- пам вагонів (CarriagesGroup). гою блоку «Потоки прибуття» (Arrivals) визна- Схема розташування контрольних точок ба- чають, у яких контрольних точках первісно ви- зової моделі на фронті відвантаження наведена никають елементи обслуговування (тобто точки на рис. 5. входу елементів обслуговування у модель). Для кожного елемента обслуговування встановлю- ють точку входу в модель, кількість, інтервал між надходженням, момент першого надхо- дження, загальну кількість елементів обслуго- вування, що надходять до моделі. У базовій моделі місця розподілено між зо- нами складу випадковим чином, а інтервал часу між послідовними надходженнями еле- Рис. 4. Робоче поле моделі у вікні ментів обслуговування задано нормальним Layout із контрольними точками законом розподілу із середнім інтервалом Fig. 4. Model workspace in Layout window 0,18 вант. од./хв і стандартним відхиленням with control points 0,088 вант. од./хв. Місткість контрольних точок, що відповіда- Встановлення операційної логіки. Блок ють групам вагонів, розраховуємо за формулою: «Операційна логіка» (Processing) визначає по- рядок та послідовність обслуговування елемен- Е cваг  п  q под , (2) тів у контрольних точках моделі.

Рис. 5. Схема розташування контрольних точок базової моделі «7 – 4 – 3 – 7» Fig. 5. Control points layout of the base model «7 – 4 – 3 – 7»

Creative Commons Attribution 4.0 International © С. М. Турпак, Л. О. Васильєва, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195757 О. О. Падченко, Г. О. Лебідь, 2019

134 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

МАШИНОБУДУВАННЯ

У вікні Process указують операції, які вико- чином, кожному рядку в таблиці вікна Process нуються з елементами обслуговування в конт- відповідають один чи декілька рядків таблиці рольних точках моделі. У вікні Routing встано- вікна Routing. влюють логіку подальшого переміщення еле- У базовій моделі встановлюємо таку логіку ментів обслуговування після закінчення опера- (рис. 6). цій у відповідній контрольній точці. Таким

Рис. 6. Визначення операційної логіки моделі «7 – 4 – 3 – 7» Fig. 6. Definition of operational logic of model «7 – 4 – 3 – 7»

Перший рядок таблиці вікна Process визна- вищі Service Model, наведена на рис. 7. чає дії, які виконуються з елементом обслуго- вування Metal у контрольній точці WarehouseArea_1. Дані у стовпчику Operation відсутні, тобто ніяких додаткових дій у контро- льній точці WarehouseArea_1 з елементом об- слуговування Metal не відбувається. Цьому ря- дку таблиці вікна Process у таблиці вікна Routing відповідають два рядки, у яких вказано, Рис. 7. Схема мережі імітаційної моделі: що після виконання операцій з елементом об- 1 – повзунець управління швидкістю моделювання; слуговування Metal у контрольній точці 2 – кнопка управління масштабом відображення часу; 3 – поточний час моделювання; 4 – переміщення ресурсу WarehouseArea_1 з неї виходять елементи об- Crane_1 з елементом обслуговування Metal від контроль- слуговування Metal, що слідують до контроль- ної точки Warehouse-Area_3 до контрольної точки них точок CarriagesGroup_I та CarriagesGroup_I мережним шляхом Net; CarriagesGroup_II, випадковим порядком 5 – переміщення ресурсу Crane_2 з елементом (RANDOM) із краном № 1 після його звільнен- обслуговування Metal від контрольної точки Warehouse-Area_5 до контрольної точки ня (MOVE WITH Crane_1 THEN FREE). CarriagesGroup_IV мережним шляхом Net Рядки з другого по шостий вікна Process та відповідні рядки вікна Routing заповнюємо ви- Fig. 7. Network diagram of the simulation model: 1 – slider of simulation speed control; 2 – control button of the щенаведеним порядком відповідно до схеми time display scale; 3 – current simulation time; 4 – moving the переміщення вантажних місць. Crane_1 resource with the Metal service element from the Визначення мережного шляху. Для визна- Warehouse-Area_3 control point to the l CarriagesGroup_I чення шляхів руху елементів обслуговування та control point via the Net network path; 5 – moving the Crane_2 resource with a Metal service element from the ресурсів між контрольними точками моделі ви- Warehouse-Area_5 control point to the CarriagesGroup_IV користовують мережні шляхи (Path Networks). control point via the Net network path Рух між точками мережного шляху може ви- значатися тривалістю чи швидкістю та відстан- ню між ними. Поточний час моделювання (у встановлено- Схема мережі моделі, виконаної в середо- му форматі) виводиться у верхньому рядку вік- на моделі. Формат представлення часу можна

Creative Commons Attribution 4.0 International © С. М. Турпак, Л. О. Васильєва, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195757 О. О. Падченко, Г. О. Лебідь, 2019

135 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

МАШИНОБУДУВАННЯ

змінювати: пришвидшити чи уповільнити про- цес моделювання. 1. Схема «9 – 1 – 1 – 10». Процес моделювання в нашому випадку За такої схеми кран № 146 завантажує метал триває 24 год.. Після моделювання система за- у групу з 11 вагонів (9+2), а кран № 126 – питає про необхідність виведення результатів у групу з 12 вагонів (2+10). Тобто два вагони за на екран. такої схеми зможуть завантажуватися двома Складання варіантів моделей. Для визна- кранами (рис. 8). чення оптимального варіанта обслуговування 2. Схема «3 – 8 – 7 – 3». ділянки відвантаження мостовими кранами За такої схеми обидва крани завантажують приймаємо до моделювання ще дві схеми робо- метал у групи з 18 вагонів (3+15 або 15+3). ти кранів: Групу з 15 вагонів завантажують два крана (рис. 9).

Рис. 8. Схема моделі обслуговування вантажного фронту мостовими кранами «9 – 1 – 1 – 10» Fig. 8. Scheme of servicing the model of freight point with bridge cranes «9 – 1 – 1 – 10»

Рис. 9. Схема моделі обслуговування вантажного фронту мостовими кранами «3 – 8 – 7 – 3» Fig. 9. Scheme of servicing the freight point with bridge cranes «3 – 8 – 7 – 3»

Створюємо нові моделі з ім’ям «9 – 1 – 1 – обхідно акумулювати в кожній групі вагонів. 10» і «3 – 8 – 7 – 3». Динамічні ресурси Crane_1 і Crane_2 ство- Елементом обслуговування є Metal з такими рюємо без корегувань, адже в роботі кранів самими характеристиками. Контрольні точки у моделях, які розроблюємо, змін не відбува- проектних моделей показані на рис. 10, 11. ється. В аналізованих моделях мережний шлях Потоки прибуття розроблених моделей за- залишається аналогічним з базовою моделлю, лишаються ідентичними з базовою моделлю. однак редагуємо відстані між вузлами відпо- В операційній логіці розроблених моделей відно до фактичних відстаней. змінюється кількість вантажних місць, що не-

Creative Commons Attribution 4.0 International © С. М. Турпак, Л. О. Васильєва, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195757 О. О. Падченко, Г. О. Лебідь, 2019

136 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

МАШИНОБУДУВАННЯ

Рис. 10. Схема розташування контрольних точок моделі «9 – 1 – 1 – 10» Fig. 10. Layout of the control points of the model «9 – 1 – 1 – 10»

Рис. 11. Схема розташування контрольних точок моделі «3 – 8 – 7 – 3» Fig. 11. Layout of control points of the model «3 – 8 – 7 – 3»

Отримані результати моделювання за різ- металургійного підприємства за рахунок раціо- ними параметрами залежно від зон роботи кра- нального закріплення кранів до зон розташу- нів наведені в табл. 1 та 2. вання транспортних засобів, які навантажують. Таким чином, розроблена методика дозво- Практична цінність полягає в підвищенні ляє знизити загальні витрати в процесі відван- ефективності роботи транспортно-складського таження металопрокату. комплексу за рахунок скорочення часу перебу- вання вагонів у системі в разі раціонального Наукова новизна та практична використання навантажувальних ресурсів. значимість Наукова новизна роботи полягає в теорети- чному дослідженні та вдосконаленні моделей роботи транспортно-складського комплексу

Creative Commons Attribution 4.0 International © С. М. Турпак, Л. О. Васильєва, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195757 О. О. Падченко, Г. О. Лебідь, 2019

137 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

МАШИНОБУДУВАННЯ

Таблиця 1 навантажувальних засобів за зонами обслуго- Аналіз результатів використання вування; мостових кранів на основі імітаційної моделі розроблено процедуру визначення найбільш ефективного Table 1 управління роботою вантажного фронту; Analysis of bridge crane use results – розроблено методику, яка пройшла апро- бацію на складі готової продукції металургій- Середній Відсоток часу, % Кількість час пере- ного підприємства. Апробація підтвердила, що переміще- Ім’я міщення перебу- застосування цієї методики дозволяє знизити них еле- ресур- елементів вання ментів прос- загальні витрати в процесі відвантаження мета- су обслуго- елемента обслуго- тою лопрокату. вування, обслуго- вування хв вування Таблиця 2 Моделювання «7 – 4 – 3 – 7» Поопераційний аналіз часу просування вантажопотоку металопрокату Crane 139 372 56,63 43,37 1 Table 2 Crane 125 352 48,41 51,59 Operation analysis of the movimg time of rolled 2 metal freight traffc volume

Моделювання «9 – 1 – 1 – 10» Середній час, хв Відсоток часу, % Crane 139 365 54,50 45,40 очіку- перебу- очіку- переб- перебу- вання вання вання 1 вання вання елемен- елемен- елемен- елемента Crane 125 501 72,84 27,16 елемента та Metal та та Metal Metal у 2 Metal у на по- Metal у на по- стані ру- моделі дачу стані дачу ху Моделювання «3 – 8 – 7 – 3» крана руху крана Crane 139 289 44,47 55,53 Моделювання «7 – 4 – 3 – 7» 1 509,52 235,72 273,80 46,26 53,74 Crane 125 301 39,99 70,01 2 Моделювання «9 – 1 – 1 – 10» 540,98 228,49 312,48 42,24 57,76 Висновки Моделювання «3 – 8 – 7 – 3» У ході виконаних досліджень отримано такі 330,99 147,88 163,11 44,68 55,32 результати: – розроблено імітаційну модель роботи лі- нійного фронту навантаження вагонів мосто- вими кранами, яка дозволяє аналізувати показ- ники ефективності різних варіантів закріплення

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. Маслак, А. В. Анализ эксплуатационных показателей и пути повышения эффективности транспортного обслуживания прокатных цехов металлургических предприятий / А. В. Маслак, Г. А. Линник // Вісн. Приазов. держ. техн. ун-ту. Сер. Техн. науки. – 2016. – Вип. 32. – С. 215–221. 2. Маслак, А. В. К вопросу обеспечения эффективного функционирования транспортно-грузовых ком- плексов металлургических предприятий / А. В. Маслак // Захист металургійних машин від поломок : зб. наукових праць ПДТУ. – Маріуполь, 2011. – Вип. 13. – С. 85–89. 3. Маслак, А. В. Методика организации взаимодействия прокатных цехов и транспорта при отгрузке про- дукции железнодорожным транспортом / А. В. Маслак // Университетская наука, 2010 : в 3 т. : тез.

Creative Commons Attribution 4.0 International © С. М. Турпак, Л. О. Васильєва, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195757 О. О. Падченко, Г. О. Лебідь, 2019

138 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

МАШИНОБУДУВАННЯ

докл. междунар. науч.-техн. конф. ПГТУ (Мариуполь, 18-20 мая 2010 г.). – Мариуполь, 2010. – Т. 3. – С. 148–149. 4. Парунакян, В. Э. Идентификация процессных характеристик логистической цепи в транспортно- грузовом комплексе отгрузки металлопродукции. Ч. 1 / В. Э. Парунакян, А. В. Маслак, Е. И. Сизова // Вісник Приазовського державного технічного університету : зб. наук. праць ПДТУ. – Маріуполь, 2007. – Вип. 17. – С. 198–203. 5. Парунакян, В. Э. Повышение эффективности взаимодействия производства и транспорта в процессе материалодвижения металлургических предприятий / В. Э. Парункян, А. В. Маслак // Вісник Приазов- ського державного технічного університету : зб. наукових праць ПДТУ. – Маріуполь, 2017. – Вип. 35. – С. 237–244. 6. Дослідження мікрологістиної системи відвантаження готової продукції металургійного підприємства / С. М. Турпак, Л. О. Васильєва, О. О. Падченко, Г. О. Лебідь // Вчені записки Таврійського національ- ного університету імені В. І. Вернадського. Серія : Технічні науки. – Київ, 2018. – Т. 29 (68). – № 4. – Ч. 2. – С. 156–162. 7. Турпак, С. М. Удосконалення логістики доставки металопродукції оптимальним формуванням вагон- них відправлень / С. М. Турпак, С. В. Грицай, Л. О. Васильєва // Нові матеріали і технології в металур- гії та машинобудуванні. – 2014. – № 2. – С. 131–137. 8. Шраменко, Н. Ю. Вплив технологічних параметрів процесу функціонування транспортно-складського комплексу на собівартість переробки вантажу / Н. Ю. Шраменко // Восточно-Европейский журнал пе- редовых технологий. – Харків, 2015. – Вип. 5/3 (77). – С. 43–47. doi: 10.15587/17294061.2015.51396 9. Шраменко, Н. Ю. Методологія оцінювання синергетичного ефекту при термінальній системі доставки вантажів / Н. Ю.Шраменко / Актуал. пробл. екон. : наук. економ. журнал. – 2016. – № 8 (182). – С. 439– 444. 10. Shramenko, N. Y. Evaluation of the effectiveness of piggyback traffic in the context of creating transport and logistics clusters / N. Y. Shramenko // Науковий вісник НГУ. – 2017. – № 6. – С. 151–155. 11. Shramenko, N. The Principles of the Choice of Management Decisions Based on Fuzzy Logic for Cargo Delivery of Grain to the Seaport / N. Shramenko, D. Muzylyov, M. Karnaukh / International Journal of Engineering & Technology. – 2018. – Vol. 7, No. 4.3. – P. 211–216. doi:10.14419/ijet.v7i4.3.19789 12. Shramenko, N. Y. Mathematical model of the logistics chain for the delivery of bulk cargo by rail transport / N. Y. Shramenko, V. O. Shramenko // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2018. – Vol. 5, No. 167, P. 136–141. doi: 10.29202/nvngu/2018-5/15 13. Shramenko, N. Y. The methodological aspect of the study feasibility of intermodal technology of cargo delivery in international traffic / N. Y. Shramenko // Naukovyi Visnyk NHU. – 2017. – Vol. 4 (160), P. 145–150. doi: 10.29202/nvngu/2018-5/15

С. Н. ТУРПАК1*, Л. О. ВАСИЛЬЕВА2*, Е. А. ПАДЧЕНКО3*, А. А. ЛЕБЕДЬ4*

1*Каф. «Транспортные технологии», Национальный университет «Запорожская политехника», ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69061, тел. +38 (067) 981 71 18, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-3200-8448 2*Каф. «Транспортные технологии», Национальный университет «Запорожская политехника», ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69061, тел. +38 (067) 800 96 14, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-4029-3851 3*Каф. «Транспортные технологии», Национальный университет «Запорожская политехника», ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69061, тел. +38 (097) 355 94 13, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-5262-2755 4*Каф. «Транспортные технологии», Национальный университет «Запорожская политехника», ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69061, тел. +38 (096) 671 83 73, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0001-5005-2923

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПУНКТОВ ПОГРУЗКИ МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ РАЦИОНАЛЬНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОСТОВЫХ КРАНОВ

Цель. Учитывая необходимость усовершенствования транспортно-складских процессов погрузки желез- нодорожных вагонов мостовыми кранами, целью исследования мы ставим анализ фактических зон работы кранов, разработку имитационных моделей их функционирования и определение наиболее эффективной технологии нагрузки. Реальный объект исследования – склад готовой продукции металлургического пред-

Creative Commons Attribution 4.0 International © С. М. Турпак, Л. О. Васильєва, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195757 О. О. Падченко, Г. О. Лебідь, 2019

139 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

МАШИНОБУДУВАННЯ

приятия, – формализован в виде линейного фронта погрузки. Методика. Для анализа работы исследуемого объекта по разным вариантам рабочих зон кранов использован метод имитационного моделирования. Предусмотрено, что каждый мостовой кран может загружать железнодорожные вагоны, находящиеся в раз- ных зонах погрузочного пути. Рассмотрены ситуации, когда краны в ходе выполнения грузовых операций находятся на одном подкрановом пути, и зона обслуживания вагонов частично совпадает. При таких усло- виях краны могут мешать друг другу, что усложняет выполнение транспортно-технологического процесса отгрузки. Результаты. Разработана имитационная модель, в которой элементы обслуживания, являющиеся отдельными грузовыми местами, перемещаются по определенным маршрутам. Грузопотоки задают по определенным законам распределения случайной величины, которая учитывает стохастический характер реальных транспортных процессов. Разработанная модель работы линейного фронта погрузки вагонов мо- стовыми кранами позволяет анализировать показатели эффективности разных вариантов закрепления погру- зочных средств за зонами обслуживания. Выполнен анализ таких показателей, как: среднее время переме- щения элементов обслуживания, процент времени простоя и работы кранов, затраты времени на отдельные операции продвижения грузопотока. На основе имитационной модели разработана процедура определения наиболее эффективной стратегии управления работой грузового фронта. Апробированная на складе готовой продукции металлургического предприятия методика позволяет снизить общие затраты в процессе отгрузки металлопроката. Научная новизна. Новым в нашей работе является теоретическое исследование и усовершенствование моделей работы транспортно-складского комплекса металлургического предприятия за счет рационального закрепления кранов за зонами расположения загружаемых транспортных средств. Практическая значимость. Полученные результаты позволяют повысить эффективность работы транс- портно-складского комплекса за счет сокращения времени пребывания вагонов в системе при рациональном использовании погрузочных ресурсов. Ключевые слова: металлопродукция; мостовой кран; пункт погрузки; имитационное моделирование

S. M. TURPAK1*, L. O. VASYLIEVA2*, O. O. PADCHENKO3*, H. O. LEBID4*

1*Dep. «Transport Technology», Zaporizhzhia Polytechnic National University, Zhukovskoho St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69061, tel. +38 (067) 981 71 18, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-3200-8448 2*Dep. «Transport Technology», Zaporizhzhia Polytechnic National University, Zhukovskoho St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69061, tel. +38 (067) 800 96 14, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-4029-3851 3*Dep. «Transport Technology», Zaporizhzhia Polytechnic National University, Zhukovskoho St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69061, tel. +38 (097) 355 94 13, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-5262-2755 4*Dep. «Transport Technology», Zaporizhzhya Polytechnic National University, Zhukovskoho St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69061, tel. +38 (096) 671 83 73, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-5005-2923

INCREASING OPERATION EFFECTIVITY OF METAL PRODUCTS LOADING POINTS BY THE RATIONAL USE OF BRIDGE CRANES

Purpose. Taking into account research and improvement of transport and storage processes for loading railway cars with bridge cranes the purpose of the study is the analysis of actual crane operation zones, development of simulation models of their functioning and determination of the most effective load technology. The real object of the study — the finished goods warehouse of a metallurgical enterprise — is formalized as a linear load point. Methodology. To analyse various options for the crane operation zones of the investigated object, the simulation modelling method was used. It was taken into account that each bridge crane can load railway cars, which are located in different zones of the loading track. Situations when the cranes are on the same crane ways during cargo operations and the service area of cars partially coincides were considered. Under such conditions, cranes can interfere with each other; it makes it difficult to carry out the transport-technological process of loading. Findings. A simulation model in which the service elements, which are the individual cargo packages, move along certain routes has been developed. Freight traffic volumes are set according to certain laws of random value distribution, taking into account the stochastic nature of real transport processes. A model of the linear loading point of railway cars with bridge cranes has been developed. It allows us to analyse the performance indicators of various options for assigning service areas to loading facilities. The analysis of such indicators as an average transporting time of service elements, a time percentage of cranes work and idle, time for separate movement operations of freight traffic volume is performed. Based on the developed model, a procedure has been developed to determine the most effective strategy for managing the loading point operation. The methodology, which has been tested on the example of a finished Creative Commons Attribution 4.0 International © С. М. Турпак, Л. О. Васильєва, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195757 О. О. Падченко, Г. О. Лебідь, 2019

140 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2019, № 6 (84)

МАШИНОБУДУВАННЯ product warehouse of a metallurgical enterprise, and allows reducing the total costs in the process of rolled metal products loading has been developed. Originality. Theoretical research and improvement of the operation models of the metallurgical enterprise`s transport and storage complex due to the rational assignment of vehicle loading areas to the cranes. Practical value. The results obtained make it possible to increase the efficiency of the transport and storage complex by reducing the time spent by railway cars in the system with the rational use of loading resources. Keywords: metal products; bridge crane; loading point; simulation modelling

REFERENCES 1. Maslak, A. V., & Linnik, G. A. (2016). Analiz ekspluatatsionnykh pokazateley i puti povysheniya effektivnosti transportno-go obsluzhivaniya prokatnykh tsekhov metallurgicheskikh predpriyatiy. Bulletin of the Azov State Technical University. Technical science series, 32, 215-221. (in Russian) 2. Maslak, A. V. (2011). K voprosu obespecheniya effektivnogo funktsionirovaniya transportno-gruzovykh kompleksov metallurgicheskikh predpriyatiy. Zakhyst metalurghijnykh mashyn vid polomok: Proceedings Scien- tific publication, Priazovskiy sovereign technical university, 13, 85-89. (in Russian) 3. Maslak, A. V. (2010). Metodika organizatsii vzaimodeystviya prokatnykh tsekhov i transporta pri otgruzke produktsii zheleznodorozhnym transportom. Universitetskaya nauka. Tezisy dokladov mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii, 18-20 maya 2010, Mariupol, 2010, 148-149. (in Russian) 4. Parunakyan, V. E., Maslak, A. V., & , Sizova, Ye. I. (2007). Identifikatsiya protsessnykh kharakteristik logisticheskoy tsepi v transportno-gruzovom komplekse otgruzki metalloproduktsii. Ch. 1. Bulletin of the Azov State Technical University: Proceedings Scientific publication, Priazovskiy sovereign technical university, Mariupol, 17, 198-203. (in Russian) 5. Parunakyan, V. E., & Maslak A. V. (2017) Povyshenie effektivnosti vzaimodeystviya proizvodstva i transporta v protsesse materialodvizheniya metallurgicheskikh predpriyatiy. Bulletin of the Azov State Tech- nical University: Proceedings Scientific publication, Priazovskiy sovereign technical university, Mariupol, 35, 237-244. (in Russian) 6. Turpak, S. M., Vasyljjeva, L. O., Padchenko, O. O., & Lebidj, Gh. O. (2018). Doslidzhennja mikrologhistynoji systemy vidvantazhennja ghotovoji produkciji metalurghijnogho pidpryjemstva. General notes of the national national university imeni V. I. Vernadskogo. Serya: Technical sciences, Tom 29(68), 4, 156-162. (in Ukrainian) 7. Turpak S. M., Ghrycaj, S. V., & Vasyljjeva, L. O. (2014). Udoskonalennja loghistyky dostavky metalo- produkciji optymaljnym formuvannjam vaghonnykh vidpravlenj. New materials and technologies in metallur- gy and mechanical engineering, 2, 131-137. (in Ukrainian) 8. Shramenko, N. Ju. (2015) Vplyv tekhnologhichnykh parametriv procesu funkcionuvannja transportno- skladsjkogho kompleksu na sobivartistj pererobky vantazhu. East European Journal of Advanced Technology, 5/3(77), 43-47. doi: 10.15587/1729-4061.2015.51396 (in Ukrainian) 9. Shramenko, N. Ju. (2016). Metodologhija ocinjuvannja synerghetychnogho efektu pry terminaljnij systemi dostavky vantazhiv. Aktualni problemy ekonomiky: naukovo ekonomichnyi zhurnal, 8(182), 439-444. (in Ukrainian) 10. Shramenko, N. Y. (2017). Evaluation of the effectiveness of piggyback traffic in the context of creating transport and logistics clusters. Scientific Bulletin of National Mining University, 6(162), 151-155. (in English) 11. Shramenko, N., Muzylyov, D., & Karnaukh, M. (2018). The Principles of the Choice of Management Deci- sions Based on Fuzzy Logic for Cargo Delivery of Grain to the Seaport. International Journal of Engineering & Technology, 7(4.3), 211-216. doi:10.14419/ijet.v7i4.3.19789 (in English) 12. Shramenko, N.Y. & Shramenko, V.O. (2018). Mathematical model of the logistics chain for the delivery of bulk cargo by rail transport. Scientific Bulletin of National Mining University, 5(167), 136-141. doi: 10.29202/nvngu/2018-5/15 (in English) 13. Shramenko, N. Y. (2017). The methodological aspect of the study feasibility of intermodal technology of cargo delivery in international traffic. Scientific Bulletin of National Mining University, 4(160), 145-150. doi: 10.29202/nvngu/2018-5/15 (in English)

Надійшла до редколегії: 01.08.2019 Прийнята до друку: 20.11.2019

Creative Commons Attribution 4.0 International © С. М. Турпак, Л. О. Васильєва, doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195757 О. О. Падченко, Г. О. Лебідь, 2019

141 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

РУХОМИЙ СКЛАД І ТЯГА ПОЇЗДІВ

УДК 629.463.65.015:625.1.03

А. О. ШВЕЦЬ1*

1*Каф. «Теоретична та будівельна механіка», Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (050) 214 14 19, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-8469-3902

ДИНАМІКА ПІВВАГОНІВ ВІД ДІЇ ПОЗДОВЖНІХ СИЛ

Мета. Основною метою роботи є дослідження впливу поздовжніх квазістатичних розтягувальних та сти- скних сил у піввагонах, що виникають за стаціонарних та перехідних режимів руху поїзда, на їх основні ди- намічні показники та показники взаємодії рухомого складу з рейковою колією з урахуванням можливості збільшення швидкості руху. Актуальність цього дослідження пов’язана з необхідністю контролювати поз- довжні сили, що виникають за стаціонарних та перехідних режимів руху поїзда, у разі збільшення швидкості руху, маси й довжини поїздів, особливо вантажних, підвищення потужності локомотивів. Методика. Осно- вним методом вивчення динамічної навантаженості піввагона на типових трьохелементних візках є матема- тичне та комп’ютерне моделювання взаємодії рухомого складу та колійної структури на основі моделі прос- торових коливань зчепу вантажних вагонів. У теоретичному дослідженні розглянуто вплив квазістатичних поздовжніх розтягувальних та стискних сил залежно від зміни швидкості та значення сили від розтягання величиною 1 МН; 0,5 МН; 0 МН і до стискання 0,5 МН; 1 МН. Результати. У результаті теоретичних дослі- джень та після проведення моделювання з урахуванням процесів коливання піввагонів під дією квазістатич- них поздовжніх сил, обмежених нормами до ± 1 МН (100 тс), отримано залежності основних нормованих технічною документацією показників з урахуванням величини швидкості руху. Наукова новизна. Дослі- джено вплив поздовжніх стискних та розтягувальних сил на динамічну навантаженість вантажного вагона з метою прогнозування динаміки рухомого складу, з урахуванням величини швидкості руху по криволіній- них ділянках залізничної колії. Практична значимість. Застосування отриманих результатів може підви- щити стійкість вантажного рухомого складу й міцність залізничної колії, що у свою чергу дозволить зняти деякі наявні обмеження допустимих швидкостей і збільшити технічну швидкість руху поїздів. Отримані залежності основних нормованих показників від поздовжньої квазістатичної сили дозволять прогнозувати розвиток відхилень і попереджати їх перетворення в небезпечні для руху поїздів. Ключові слова: піввагон; динамічні показники; криволінійні ділянки колії; поздовжні сили; швидкість руху

Вступ Процес взаємодії рухомого складу та верх- ньої будови колії визначається багатьма факто- Зі збільшенням швидкостей руху, мас і дов- рами: наявністю ухилів і кривих ділянок колії, жин поїздів, особливо вантажних, підвищенням вагою, довжиною та швидкістю руху поїздів, потужностей локомотивів, потрібно контролю- потужністю локомотива або групи локомотивів, вати поздовжні сили, що виникають за стаціона- тобто максимальної гальмової сили. Концент- рних та перехідних режимів руху поїзда [13–17]. рація великої гальмівної сили (до 80 % від мак- Із позиції безпеки руху небезпечними можуть симальної сили тяги) на короткій ділянці колії виявитись поздовжні сили квазістатичного хара- (довжині локомотива) в голові поїзда та набі- ктеру або сили ударного характеру, що містять гання незагальмованих задніх вагонів призво- такі квазістатичні складові. Такого роду сили за дять до встановлення вагонів першої третини певних умов можуть викликати видавлювання поїзда в рейковій колії з перекосом. Останнє (або витискання) вагонів зі складу поїзда [6–8]. впливає на підвищене тертя гребенів колісних Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195821 © А. О. Швець, 2019

142 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

РУХОМИЙ СКЛАД І ТЯГА ПОЇЗДІВ

пар вагонів об бокову поверхню рейок, підви- Найбільший інтерес для вивчення динамічної щений угін колії та її розшивку, зростання бо- взаємодії рухомого складу та колійної структури кового зносу рейок, підріз бандажів колісних представляють довготривалі сили, що виника- пар вагонів і навіть локомотивів. Збільшення ють у тяговому режимі на затяжних ухилах та ваги та довжини поїздів різко погіршує розгля- під час гальмувань, особливо рекуперативних. нуту ситуацію [18–20]. У разі збільшення швидкості руху зменшу- Мета ється коефіцієнт зчеплення; крім того, у певні відповідно до викладеного метою цієї робо- моменти в результаті вертикальних коливань ти є дослідження впливу поздовжніх квазіста- надресорної будови колісна пара частково роз- тичних розтягувальних та стискних сил у півва- вантажується. Усе це призводить до зменшення гонах на основні показники динаміки та взає- сили тертя між колесом і рейкою в поперечно- модії рухомого складу з рейковою колією му напрямку та ударного навантаження рейки з урахуванням швидкості руху. гребенем колісної пари. Тому навіть за малих значень поперечних складових стискних сил, Методика які виникають через перекіс вагонів у рейковій колії в разі стиснення поїзда хвостовими ваго- В основу математичної моделі просторових нами, відзначається різке зростання горизонта- коливань зчепу вантажних вагонів покладені льних сил у колії, що сприяє не тільки її роз- дослідження, описані в роботах [2, 3, 12] та до- шивці, але й перекиданню (вивертанню) рейки повнені параметрами, необхідними для вивчен- на прямих ділянках колії [5, 9–11]. ня динамічних процесів у поїзді. У моменти прикладання тягових зусиль або Розрахункова схема піввагона наведена на на початку гальмування поїзда можуть виникати рис. 1, де також показані додатні напрямки для короткочасні ударні сили значної величини. всіх переміщень і кутів повороту.

Рис. 1. Розрахункова схема 4-вісного вантажного вагона Fig. 1. Design scheme of a 4-axle freight car Математична модель просторових коливань Розрахунковою схемою «нульового» екіпа- зчепу вагонів у складі поїзда (рис. 2), наведена жу є механічна система з 58 ступенями свободи в роботі [2], розглядає один рейковий екіпаж за [3]. Вагони, сусідні з «нульовим», представлені найбільш повною розрахунковою схемою («ну- як механічні системи, що мають 12 ступенів льовий»), а розрахункові схеми сусідніх вагонів свободи. Розрахункові схеми, які описують ко- спрощують по мірі віддалення від нього в оби- ливання цих вагонів, враховують забігання бо- дві сторони. кових рам візка.

143 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

РУХОМИЙ СКЛАД І ТЯГА ПОЇЗДІВ

Рис. 2. Схема діючих поздовжніх навантажень в автозчепленнях вантажних вагонів Fig. 2. Scheme of operating longitudinal loads in automatic couplings of freight cars Припущення, введені під час досліджень ня вагон, під дією поздовжніх сил в автозчеп- просторових коливань вагонів, сусідніх із «ну- леннях, може зайняти різне положення віднос- льовим», за спрощеними розрахунковими схе- но осі колії, що в значній мірі визначить як ве- мами, описані в роботах [2, 20]. Крайні вагони личини бокових горизонтальних сил взаємодії зчепу розглядають за ще більш спрощеною коліс із рейками, сили тертя та знос коліс схемою. У вагонах беруть до уваги тільки ко- і рейок [20–22]. ливання кузовів, тобто ці вагони розглядають як механічні системи з 6 ступенями свободи. Результати У процесі управління поїздом неминуче ви- За перехідних режимів руху, особливо під никають поздовжні сили в автозчепленнях. Си- час гальмування, виникають довготривалі ква- ли, які виникають під час взаємодії з рейками зістатичні поздовжні сили, обмежені норматив- між сусідніми вагонами, у досліджуваному ною документацією до S 1 МН (100 тс). зчепі зображено на рис. 3 [2]. У теоретичному дослідженні розглянутий вплив квазістатичних поздовжніх розтягуваль- них та стискних сил залежно від зміни швидко- сті в діапазоні від 50 до 90 км/год зі зміною значення сили від розтягання величиною 1 МН; 0,5 МН; 0 МН і до стискання 0,5 МН; 1 МН. Графіки зміни досліджуваних показників під час руху завантажених вагонів по криволіній- них ділянках колії середнього ( R  600 м) й малого ( R  350 м) радіусів наведені на рис. 4–8. Для вивчення динамічних сил, що діють на складові частини візка або кузова вагона, на рис. 4 наведені показники – максимальні кое- о Рис. 3. Дія на вагон сил з боку сусідніх вагонів фіцієнти динамічної добавки обресорених Кдв Fig. 3. Action of forces on the car from но і необресорених частин Кдв , максимальне від- the neighboring cars ношення рамної сили до статичного осьового У результаті динамічних процесів під час навантаження Кдг та коефіцієнт стійкості від руху поїзда по криволінійних ділянках колії сходження колеса з рейок К . в режимах тяги та рекуперативного гальмуван- ст

144 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

РУХОМИЙ СКЛАД І ТЯГА ПОЇЗДІВ

а – a б – b

в – c г – d

д – e е – f

ж – g з – h

Рис. 4. Залежності від поздовжньої сили: а, б – коефіцієнти динамічної добавки обресорених частин; в, г – коефіцієнти динамічної добавки необресорених частин; д, е – відношення рамної сили до статичного осьового навантаження; ж, з – коефіцієнти стійкості колеса від сходження з рейок Fig. 4. Dependencies on the longitudinal force: а, b – the coefficients of the dynamic additive of the sprung parts; c, d – the coefficients of the dynamic additive of the unsprung parts; e, f – the ratio of the frame force to the static axial load; g, h – derailment stability coefficients Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195821 © А. О. Швець, 2019

145 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

РУХОМИЙ СКЛАД І ТЯГА ПОЇЗДІВ

Із рис. 4 видно, що за повздовжніх сил, які допустимого значення в кривих обох досліджу- змінюються від розтягнення силою 1 МН до ваних радіусів. о Коефіцієнт горизонтальної динаміки колії стискання силою 0,5 МН, показники Кдв но Кгдк (рис. 5, в, г) також не перевищує допусти- (рис. 4, а, б), Кдв (рис. 4, в, г) практично не мого значення Кгдк  0,4 в кривих як малого, змінюються; помітний вплив на показники Кдг так і середнього радіусів. Тільки за швидкості (рис. 4, д, е),та К (рис. 4, ж, з) чинить тільки ст руху 80 км/год та поздовжній стискній силі стискна поздовжня сила величиною в 1 МН. в 1 МН у кривій R  350 м К наближається Саме за поздовжньої стискної сили в 1 МН ви- гдк никають значні додаткові поперечні сили, ви- до максимально допустимої величини, оскільки кликані перекосом кузовів вагонів відносно їх має значення у 0,39. хордового положення. Ці додаткові сили іноді Допустиме значення коефіцієнта стійкості перевищують горизонтальні поперечні сили, рейко-шпальної решітки від угону (зсуву)  обумовлені тільки кривизною колії за хордово- (рис. 5, д, е) в колії зі щебеневим баластом ста- го розташування кузовів вагонів. Таким чином, новить   0,85 [1]. За результатами розраху- можна зробити висновок, що додаткові попере- нку значення коефіцієнта стійкості рейко- чні сили, викликані перекосом кузовів вагонів, шпальної решітки від дії поперечних сил  призводять до збільшення показників тільки за в колії зі щебеневим баластом максимально великих значень поздовжньої стискної сили, становить 0,82 в кривій малого радіуса за шви- яка перевищує 1 МН. дкості 90 км/год, що менше допустимої вели- У всьому інтервалі швидкостей показники чини. У кривих середнього радіуса коефіцієнт о но Кдв (рис. 4, а, б), Кдв (рис. 4, в, г) та Кдг  досягає максимального значення у 0,66 за (рис. 4, д, е) в разі зміни поздовжніх сил не пе- швидкості 80 км/год. ревищують допустимих значень, установлених Аналіз отриманих результатів показує, що нормативною документацією, як у кривій на криволінійних ділянках колії поздовжні сти- R  600 м, так і в кривій R  350 м. Розрахунки скні сили великого рівня (0,9–1,0 МН), які при- зводять до додаткового перекосу кузовів ваго- демонструють, що рівень оцінок К о , К но та дв дв нів, викликають збільшення впливу на колію Кдг становить «відмінно» [4]. в горизонтальному напрямку в середньому на Коефіцієнти запасу стійкості від сходження 25,5 % порівняно із силою S 0,5 МН . На ділянках із дерев’яними шпалами істотно коліс із рейок Кст у кривих R  350 м та R  600 м (рис. 4, ж, )) значно перевищують полегшене сходження через витискання екіпа- жів унаслідок можливості нахилу рейки через мінімально допустиме значення К 1,3. ст  відрив внутрішньої кромки підошви рейки від Коефіцієнти вертикальної Квдк та горизон- підкладок та відтискання внутрішніх обшивних костилів. На рис. 6 наведені бокові сили, що тальної динаміки Кгдк колії за силами взаємодії діють з боку колії на колесо, відтискання пі- коліс із рейками, а також коефіцієнт стійкості дошви y та головки рейки y . рейко-шпальної решітки від зсуву  під час пp гp руху у відповідних кривих ділянках колії наве- Бокові сили, що діють з боку колії на колесо

дено на рис. 5. Значення коефіцієнта вертика- (горизонтальні сили) Yб (рис. 6, а, б), зростають льної динаміки колії, що допускається чинною залежно від швидкості руху та не мають пере- нормативною документацією, становить вищень порівняно з допустимим значенням

Квдк  0,45 [1]. Коефіцієнт вертикальної ди- 100 кН [1]. Отримані величини Yб у кривій R  350 м в середньому на 43,8 % більші за ві- наміки колії Квдк (рис. 5, а, б) не перевищує дповідні значення у кривій R  600 м.

146 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

РУХОМИЙ СКЛАД І ТЯГА ПОЇЗДІВ

а – a б – b

в – c г – d

д – e е – f

Рис. 5. Залежності від поздовжньої сили: а, б – коефіцієнти вертикальної динаміки колії за силами взаємодії коліс із рейками; в, г – коефіцієнти горизонтальної динаміки колії за силами взаємодії коліс із рейками; д, е – коефіцієнти стійкості рейко-шпальної решітки від зсуву Fig. 5. Dependencies on the longitudinal force: а, b –coefficients of the vertical track dynamics by the forces of wheel-rail interaction; c, d – coefficients of the horizontal track dynamics by the forces wheel-rail interaction; e, f – the ratio of the frame force to the static axial load; g, h – track panel stability coefficient

147 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

РУХОМИЙ СКЛАД І ТЯГА ПОЇЗДІВ

а – a б – b

в – c г – d

д – e е – f

Рис. 6. Залежності від поздовжньої сили: а, б – бокової сили, що діє з боку колії на колесо; в, г – відтискання головки рейки; д, е – відтискання підошви рейки Fig. 6. Dependencies on the longitudinal force: а, b – of the lateral force acting on the wheel from the track; c, d – rail head pressing; e, f – rail base pressing Чим більша швидкість руху, тим на більшу 80 км/год. На відтискання внутрішніх обшив-

величину yпp відтискаються внутрішні обшив- них костилів yпp найбільший вплив мають

ні костилі (рис. 6, д, е) та головки рейки yгp швидкості руху у 70 та 90 км/год. Вплив швидкості на показники взаємодії (рис. 6, в, г). Показники y мають максимальні гp з колією рухомого складу – кромкового напру- значення в разі стискання поздовжньою силою ження у підошві рейки р та фактора зносу бо- в 1 МН. У кривих R  600 м найбільші відтис- кової грані бандажа колеса Ф – показано на кання головок рейок відбуваються за швидкості рис. 7. Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195821 © А. О. Швець, 2019

148 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

РУХОМИЙ СКЛАД І ТЯГА ПОЇЗДІВ

а – a б – b

в – c г – d

Рис. 7. Залежності від поздовжньої сили: а, б – кромкового напруження у підошві рейки; в, г – фактора зносу бокової грані бандажа колеса Fig. 7. Dependencies on the longitudinal force: а, b – edge tension in the rail base; c, d – the wear factor of the side edge of the wheel flange Зі збільшенням швидкості руху зростає ди- усів, але у кривій R  350 м перевищує на 76 % намічний вплив на колію рухомого складу та, відповідне значення у кривій R  600 м. Збіль- відповідно, збільшуються кромкові напруження шення Ф за швидкості 80 км/год порівняно

підошви рейок р (рис. 7, а, б). Максимальні з іншими інтервалами швидкостей у кривій напруження для рейок Р65 не повинні переви- R  350 м становить 75,1 %. Відповідне зна- щувати 215 МПа до пропускання та 165 МПа чення цього показника становить 82,7 % у кри- після пропускання нормативного тоннажу. Ре- вій R  600 м. зультати обчислень демонструють зростання Добуток кута виляння (набігання) кп коле-

кромкових напружень в разі підвищення швид- са вагона на напрямну силу Yн визначає фактор кості руху та відсутність перевищення допус- зносу бокової грані бандажа колеса Ф . Вплив тимих значень для обох типів рейок [1]. швидкості на показники взаємодії з колією ру- Фактор зносу бокової грані бандажа колеса хомого складу – напрямної сили, що діє з боку Ф (рис. 7, в, г) значно зростає з підвищенням колії на колесо, та виляння колісної пари пока- швидкості руху. За швидкості 80 км/год Ф зна- зано на рис. 8. чно зростає в кривих обох досліджуваних раді-

149 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

РУХОМИЙ СКЛАД І ТЯГА ПОЇЗДІВ

а – a б – b

в – c г – d

Рис. 8. Залежності від поздовжньої сили: а, б – напрямної сили, що діє з боку колії на колесо; в, г – виляння колісної пари Fig. 8. Dependencies on the longitudinal forces: а, b – directing force acting on the wheel from the track; c, d – wheel set hunting Із підвищенням швидкості руху напрямні Наукова новизна та практична сили, що діють з боку колії на колесо Yн (рис. 8, а, б), у кривій R  350 м значно зрос- значимість

тають. Отримані величини Yн у кривій У роботі досліджено вплив поздовжніх сти- R  350 м в середньому на 42,1 % більші за ві- скних та розтягувальних сил на динамічну на- дповідні результати у кривій R  600 м. вантаженість вантажного вагона з метою про- За швидкості 80 км/год у кривих малого та гнозування динаміки залізничного екіпажу. Ро- середнього радіуса кути виляння колісної пари зрахунки виконано з урахуванням можливого  (рис. 8, в, г) значно відрізняються від іншо- підвищення величини швидкості руху по кри- кп волінійних ділянках колії малого й середнього го діапазону розрахункових швидкостей. Під радіуса. У результаті дослідження процесів ко- час руху у кривій R  350 м величини кп ливання завантажених піввагонів під дією ква- в середньому на 71,3 % перевищують відповід- зістатичних поздовжніх сил отримано залежно- ні значення у кривій R  600 м. сті основних динамічних показників, нормова-

На кут виляння колісної пари кп значною них чинною технічною документацією. мірою впливає швидкість руху, а не наявність Застосування отриманих результатів дозво- квазістатичних поздовжніх стискних або розтя- лить підвищити стійкість вантажного рухомого гувальних сил. складу й міцність залізничної колії, що у свою чергу дозволить зняти деякі наявні обмеження Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195821 © А. О. Швець, 2019

150 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

РУХОМИЙ СКЛАД І ТЯГА ПОЇЗДІВ

допустимих швидкостей і збільшити технічну – додаткові поперечні сили, викликані пе- швидкість руху поїздів. Отримані залежності рекосом кузовів вагонів, призводять до збіль- основних нормованих показників від поздовж- шення динамічних показників та показників ньої квазістатичної сили дозволять прогнозува- впливу на колію тільки за великих значень поз- ти розвиток відхилень і попереджати їх перет- довжньої стискної сили, яка перевищує 1 МН. ворення в небезпечні для руху поїздів. У вертикальному напрямку на означені показ- ники більш істотний вплив має швидкість руху; Висновки – на ділянках із дерев’яними шпалами істо- На підставі проведених теоретичних дослі- тно полегшене сходження через витискання джень динамічних якостей залізничного ванта- екіпажів унаслідок можливості нахилу рейки жного екіпажу на прикладі піввагонів можна через відрив внутрішньої кромки підошви рей- зробити наступні висновки: ки від підкладок, а також унаслідок відтискання – стискні сили призводять до розташування внутрішніх обшивних костилів. Найбільш небе- кузовів вагонів «ялинкою». За стискних сил, зпечною швидкістю у кривих R  600 м та менших за 0,25 МН, впливом перекосу кузовів 350 м за відривом внутрішньої кромки підошви на величини горизонтальних поперечних сил рейки від підкладок є 70 км/год; можна знехтувати. Стискні сили з величинами – дозволена швидкість руху у кривих 0,5 МН слабо впливають на ці сили, а стискні R  600 м 80 км/год є найбільш небезпечною поздовжні сили в 1 МН мають уже істотний для відтискання головок рейок; вплив на величини поперечних горизонтальних – за швидкості 80 км/год значно зростає фа- сил, що діють на кузов вагона з боку його авто- ктор зносу бокової грані бандажа колеса Ф зчеплень; у кривих як малого, так і середнього радіуса.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. Даніленко, Е. І. Залізнична колія : підручник для вищ. навч. закл. : у 2 т. / Е. І. Даніленко. – Київ : Ін- прес, 2010. – Т. 1. – 528 с. 2. Данович, В. Д. Математическая модель пространственных колебаний сцепа пяти вагонов, движущихся по прямолинейному участку пути / В. Д. Данович, А. А. Малышева // Транспорт. Нагруженность и прочность подвижного состава : сб. науч. тр. / Днепропетр. гос. техн. ун-т ж.-д. трансп. – Днепропет- ровск, 1998. – С. 62–69. 3. Данович, В. Д. Пространственные колебания вагонов на инерционном основании : дис. д-ра техн. наук / Данович Виктор Данилович ; Днепропетр. ин-т инж. ж.-д. трансп. – Днепропетровск, 1981. – 465 с. 4. ДСТУ ГОСТ 33211:2017. Вагони вантажні. Вимоги до міцності та динамічних якостей (ГОСТ 33211- 2014, IDТ). – Введ. 2017–07–01. – Київ : УкрНДНЦ, 2017. – 58 с. 5. Мугинштейн, Л. А. Влияние продольных сил на опасность сходов порожних вагонов в поездах / Л. А. Мугинштейн, Ю. С. Ромен // Вестник ВНИИЖТ. – 2011. – № 3. – С. 3–6. 6. Определение допустимых сил при оценке устойчивости грузовых вагонов от выжимания в поездах / А. А. Швец, К. И. Железнов, А. С. Акулов, А. Н. Заболотный, Е. В. Чабанюк // Наука та прогрес транс- порту. – 2016. – № 1 (61). – С. 180–192. doi: 10.15802/stp2016/61045 7. Разработка рекомендаций по снижению износа колес и рельсов за счет снижения сил динамического взаимодействия железнодорожных экипажей и пути с учетом стационарных и нестационарных режи- мов движения. В 3 т. Т. 3. Натурные исследования факторов, влияющих на повышенный износ рельсов и гребней колес грузовых вагонов : отчет о НИР (заключ.) : 91.134.95.97/379.95.97 ЦТех / Днепропетр. нац. ун-т ж. д. трансп. им. акад. В. Лазаряна ; рук. Блохин Е. П., Пшинько А. Н. ; исп.: Данович В. Д. [и др.]. – Днепропетровск, 1998. – 190 с. – № ГР 0196U023134. – Инв. № 416(III). 8. Швець, А. О. Вплив режиму гальмування на знос коліс та стійкість вантажного рухомого складу / А. О. Швець, Болотов О. М., Л. С. Сапарова // Вісник сертифікації залізничного транспорту. – 2018. – № 4 (50). – С. 68–82.

151 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

РУХОМИЙ СКЛАД І ТЯГА ПОЇЗДІВ

9. Шимановский, А. О. Влияние зазоров в автосцепных устройствах на продольные силы в межвагонных соединениях однородного поезда / А. О. Шимановский, П. А. Сахаров // Механика машин, механизмов и материалов. – 2019. – № 2 (47). – С. 42–50. 10. Шимановский, А. О. Моделирование продольной динамики поезда в среде программного комплекса MSC.ADAMS / А. О. Шимановский, П. А. Сахаров, А. В. Коваленко // Актуальные вопросы машинове- дения. – 2018. – № 7. – С. 75–78. 11. Determination of the issue concerning the lift resistance factor of lightweight car / A. O. Shvets, К. I. Zheliez- nov, А. S. Аkulov, О. M. Zabolotnyi, Y. V. Chabaniuk // Наука та прогрес транспорту. – 2015. – № 6 (60). – С. 134–148. doi: 10.15802/stp2015/57098 12. Effect of the state of car running gears and railway track on wheel and rail wear / E. P. Blokhin, O. M. Pshinko, V. D. Danovich, M. L. Korotenko // Railway Bogies and Running Gears : Proc. of the 4th In- tern. Conf. / Technical University of Budapest. – Budapest, 1998. – P. 313–323. 13. Kurhan, D. Determination of Load for Quasi-static Calculations of Railway Track Stress-strain State / D. Kurhan // Acta Technica Jaurinensis. – 2016. – Vol. 9. – Іss. 1. – Р. 83–96. doi: 10.14513/actatechjaur.v9.n1.400 14. Modeling, simulation and applications of longitudinal train dynamics / C. Cole, M. Spiryagin, Q. Wu, Y. Q. Sun // Vehicle System Dynamics. – 2017. – Vol. 55. – Іss. 10. – P. 1498–1571. doi: 10.1080/00423114.2017.1330484 15. McKinnon, A. C. Freight Transport Deceleration: Its Possible Contribution to the Decarbonisation of Logistics / A. C. McKinnon // Transport Reviews. – 2016. – Vol. 36. – Iss. 4. – P. 418–436. doi: 10.1080/01441647.2015.1137992 16. Navarrete, J. A. Experimental and theoretical modeling of cargo sloshing during braking / J. A. Navarrete, F. Otremba // ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition (Phoenix, Arizona, USA, Nov. 11–17, 2016). – Phoenix, 2016. – Vol. 4B : Dynamics, Vibration, and Control. doi: 10.1115/imece2016-65698 17. Qi, Zh. Simulation of longitudinal dynamics of long freight trains in positioning operations / Zh. Qi, Zh. Huang, X. Kong // Journal Vehicle System Dynamics International Journal of Vehicle Mechanics and Mo- bility. – 2012. – Vol. 50. – Іss. 9. – Р. 1409–1433. doi: 10.1080/00423114.2012.661063 18. Razinkin, N. E. The influence of additional discharge of the brake line on the longitudinal dynamics of the train during braking / N. E. Razinkin, N. I. Voronova, Y. D. Podlesnikov, S. N. Danilov // Journal of Mechani- cal Engineering Research and Developments. – 2019. – Vol. 42. – Іss. 3. – P. 6–9. doi: 10.26480/jmerd.03.2019.06.09 19. Sablin, O. Rational distribution of excess regenerative energy in electric transport systems on the basis of fuzzy logic application / O. Sablin, V. Kuznetsov, V. Shinkarenko, A. Ivanov // Archives of Transport. – 2017. – № 42 (2). – P. 53–63. doi: 10.5604/01.3001.0010.0527 20. Shvets, A. O. Influence of Loading from the Axle of a Gondola Car on its Dynamic Indicators and Railway Track / A. O. Shvets, О. О. Bolotov // Наука та прогрес транспорту. – 2019. – № 1 (79). – С. 151–166. – doi: 10.15802/stp2019/158127 21. Wu, H. Effects of wheel and rail profiles on vehicle performance / H. Wu // Vehicle System Dynamics. – 2006. – Vol. 44. – Іss. sup1. – P. 541–550. doi: 10.1080/00423110600875393 22. Wu, Q. Longitudinal train dynamics: an overview / Q. Wu, M. Spiryagin, C. Cole // Vehicle System Dynamics. – 2016. – Vol. 54. – Іss. 12. – P. 1688–1714. doi: 10.1080/00423114.2016.1228988

А. А. ШВЕЦ1*

1*Каф «Теоретическая и строительная механика», Днипровский национальный университет железнодорожного транс- порта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (050) 214 14 19, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-8469-3902

ДИНАМИКА ПОЛУВАГОНОВ ОТ ДЕЙСТВИЯ ПРОДОЛЬНЫХ СИЛ

Цель. Основной целью работы является исследование влияния продольных квазистатических растяги- вающих и сжимающих сил в полувагонах, возникающих при стационарных и переходных режимах движе- ния поезда, на их основные динамические показатели и показатели взаимодействия подвижного состава Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195821 © А. О. Швець, 2019

152 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

РУХОМИЙ СКЛАД І ТЯГА ПОЇЗДІВ

с рельсовой колеей с учетом возможности увеличения скорости движения. Актуальность данного исследо- вания связана с необходимостью контролировать продольные силы, возникающие при стационарных и пе- реходных режимах движения поезда, при увеличении скорости движения, массы и длины поездов, особенно грузовых, повышения мощности локомотивов. Методика. Основным методом изучения динамической нагруженности полувагона на типовых трехэлементных тележках является математическое и компьютерное моделирование взаимодействия подвижного состава и путевой структуры на основе модели пространствен- ных колебаний сцепа грузовых вагонов. В теоретическом исследовании рассмотрено влияние квазистатиче- ских продольных растягивающих и сжимающих сил в зависимости от изменения скорости и значения силы от растяжения величиной 1 МН; 0,5 МН; 0 МН и до сжатия 0,5 МН; 1 МН. Результаты. В результате теоре- тических исследований и после моделирования с учетом процессов колебания полувагонов под действием квазистатических продольных сил, ограниченных нормами до ± 1 МН (100 тс), получены зависимости основных нормированных технической документацией показателей с учетом величины скорости движения. Научная новизна. Исследовано влияние продольных сжимающих и растягивающих сил на динамическую нагруженность грузового вагона для прогнозирования динамики подвижного состава с учетом величины скорости движения по криволинейным участкам железнодорожного пути. Практическая значимость. Применение полученных результатов может повысить устойчивость грузового подвижного состава и прочность железнодорожного пути, что в свою очередь позволит снять некоторые существующие ограничения допустимых скоростей и увеличить техническую скорость движения поездов. Полученные зависимости основных нормируемых показателей от продольной квазистатической силы поз- волят прогнозировать развитие отклонений и предупреждать их преобразования в опасные для движения поездов. Ключевые слова: полувагон; динамические показатели; криволинейные участки пути; продольные силы; скорость движения

A. O. SHVETS1*

1*Dep. «Theoretical and Structural Mechanics», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (050) 214 14 19, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-8469-3902

GONDOLA CARS DYNAMICS FROM THE ACTION OF LONGITUDINAL FORCES

Purpose. The aim of the work is to study the influence of longitudinal quasistatic tensile and compressive forces in gondola cars arising at stationary and transient modes of train movement on their main dynamic indicators and interaction indicators of rolling stock with a rail track, taking into account the possibility of speed increasing. The relevance of this study is related with the need to control the longitudinal forces arising during stationary and transient modes of train movement, with increasing speeds, masses and lengths of trains, especially freight ones, increasing the locomotives` power. Methodology. The main method for studying the dynamic loading of a gondola car on typical three-element bogies is mathematical and computer modeling of the interaction of rolling stock and track structure based on the model of spatial vibrations of freight cars` couplings. In a theoretical study, the influence of quasistatic longitudinal tensile and compressive forces is considered depending on the change in speed and the force value on the tension of 1 MN; 0.5 MN; 0 and before compression of 0.5 MN; 1 MN. Findings. As a result of theoretical studies and after modeling, taking into account the processes of oscillation of gondola cars under the action of quasistatic longitudinal forces limited by norms to ± 1MN (100 tf), the dependencies of the main parameters normalized by technical documentation are obtained taking into account the value of the movement speed. Originality. The influence of longitudinal compressive and tensile forces on the dynamic loading of a freight car is studied in order to solve the problem of forecasting the dynamics of rolling stock, taking into account the value of the speed along curved track sections. Practical value. Application of the results obtained can increase the stability of freight rolling stock and the strength of the railway track, which in turn will remove some existing restrictions on permissible speeds and increase the technical speed of trains. The obtained dependencies of the main normalized indices on the longitudinal quasistatic force will make it possible to predict the development of deviations and prevent their trans- formation into the dangerous ones for train movement. Keywords: gondola car; dynamic indicators; curved track sections; longitudinal forces; movement speed Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2019/195821 © А. О. Швець, 2019

153 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

РУХОМИЙ СКЛАД І ТЯГА ПОЇЗДІВ

REFERENCES 1. Danilenko, E. I. (2010). Zaliznychna koliia: pidruchnyk dlia vyshchykh navchalnykh zakladiv. (Vol. 1-2). Ky- iv: Inpres. (in Ukrainian) 2. Danovich, V. D., & Malysheva, A. A. (1998). Mathematical Model of Spatial Oscillations of the Coupling of Five Cars Moving Along a Rectilinear Section of the Track. Transport. Stress loading and durability of a rolling stock, 62-69. Dnepropetrovsk. (in Russian) 3. Danovich, V. D. (1982). Spatial Cars Oscillations in Inertia Track. (Dysertatsiia doktora tekhnichnykh nauk). Dnepropetrovsk Institute of Railway Transport Engineering, Dnеpropetrovsk. (in Russian) 4. Vahony vantazhni. Vymohy do mitsnosti ta dynamichnykh yakostei, 58 DSTU 33211:2017 (2017). (in Ukrai- nian) 5. Muginshteyn, L. A., & Romen, Yu. S. (2011). Vliyanie prodolnykh sil na opasnost skhodov porozhnikh vagonov v poezdakh. Vestnik of the Railway Research Institute, 3, 3-6. (in Russian) 6. Shvets, A. A., Zheleznov, K. I., Akulov, A. S., Zabolotny, A. N., & Chabanyuk, E. V. (2016). Determination the permissible forces in assessing the lift resistant factor of freight cars in trains. Science and Transport Pro- gress, 1(61), 180-192. doi: 10.15802/stp2016/61045 (in Russian) 7. Blokhin, E. P., Pshinko, O. M., & Danovich, V. D. (1998). Razrabotka rekomendatsiy po snizheniyu iznosa koles i relsov za schet snizheniya sil dinamicheskogo vzaimodeystviya zheleznodorozhnykh ekipazhey i puti s uchetom statsionarnykh i nestatsionarnykh rezhi-mov dvizheniya (Vol. 1-3). Dnеpropetrovsk National Univer- sity of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Dnеpropetrovsk. (in Russian) 8. Shvets, A. O., Bolotov, O. M., & Saparova, L. S. (2018). Influence of modes of braking on the wheel wear and stability of freight rolling stock. Visnyk sertyfikatsii zaliznychnoho transportu, 4(50), 68-82. (in Ukrainian) 9. Shimanovsky, A. O., & Sakharau, P. A. (2019). Effect of gap clearances in automatic coupling devices on longitudinal forces in intercar connections of homogeneous train. Mekhanika mashin, mekhanizmov i materialov, 2(47), 42-50. (in Russian) 10. Shimanovsky, A. O., Sakharau, P. A., & Kovalenko, A. V. (2018). Modeling of train longitudinal dynamics in MSC.ADAMS software. Aktualnye voprosy mashinovedeniya, 7, 75-78. (in Russian) 11. Shvets, A. A., Zhelieznov, K. I., Akulov, A. S., Zabolotnyi, A. N., & Chabaniuk, Y. V. (2015). Determination of the issue concerning the lift resistance factor of lightweight car. Science and Transport Progress, 6(60), 134-148. doi: 10.15802/stp2015/57098 (in English) 12. Blokhin, E. P., Pshinko, O. M., Danovich, V. D., & Korotenko, M. L. (1998). Effect of the state of car running gears and railway track on wheel and rail wear. Railway Bogies and Running Gears: Proceedings of the 4th International Conference, 313-323. Budapest. (in English) 13. Kurhan, D. (2016). Determination of Load for Quasi-static Calculations of Railway Track Stress-strain State. Acta Technica Jaurinensis, 9(1), 83-96. doi: 10.14513/actatechjaur.v9.n1.400 (in English) 14. Cole, C., Spiryagin, M., Wu, Q., & Sun, Y. Q. (2017). Modeling, simulation and applications of longitudinal train dynamics. Vehicle System Dynamics, 55(10), 1498-1571. doi: 10.1080/00423114.2017.1330484 (in English) 15. McKinnon, A. C. (2016). Freight Transport Deceleration: Its Possible Contribution to the Decarbonisation of Logistics. Transport Reviews, 36(4), 418-436. doi: 10.1080/01441647.2015.1137992 (in English) 16. Navarrete, J. A., & Otremba, F. (2016). Experimental and theoretical modeling of cargo sloshing during braking. ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition (Phoenix, Arizona, USA, Nov. 11- 17, 2016). Dynamics, Vibration, and Control, 4B. Phoenix. doi: 10.1115/imece2016-65698 (in English) 17. Qi, Z., Huang, Z., & Kong, X. (2012). Simulation of longitudinal dynamics of long freight trains in positioning operations. Vehicle System Dynamics, 50(9), 1409-1433. doi: 10.1080/00423114.2012.661063 (in English) 18. Razinkin, N. E., Voronova, N. I., Podlesnikov, Y. D., & Danilov, S. N. (2019). The influence of additional discharge of the brake line on the longitudinal dynamics of the train during braking. Journal of Mechanical Engineering Research and Developments, 42(3), 6-9. doi: 10.26480/jmerd.03.2019.06.09 19. Sablin, O., Kuznetsov, V., Shinkarenko, V., & Ivanov, A. (2017). Rational distribution of excess regenerative energy in electric transport systems on the basis of fuzzy logic application. Archives of Transport, 42(2), 53- 63. doi:10.5604/01.3001.0010.0527 (in English) 20. Shvets, A. O., & Bolotov, О. О. (2019). Influence of loads from the axis of a gondola car on its dynamic indicators and railroad tracks. Science and Transport Progress, 1(79), 151-166. doi: 10.15802/stp2019/158127 (in English)

154 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

РУХОМИЙ СКЛАД І ТЯГА ПОЇЗДІВ

21. Wu, H. (2006). Effects of wheel and rail profiles on vehicle performance. Vehicle System Dynamics, 44(sup1), 541-550. doi: 10.1080/00423110600875393 (in English) 22. Wu, Q., Spiryagin, M., & Cole, C. (2016). Longitudinal train dynamics: an overview. Vehicle System Dynamics, 54(12), 1688-1714. doi: 10.1080/00423114.2016.1228988 (in English)

Надійшла до редколегії: 08.08.2019 Прийнята до друку: 29.11.2019

155 Тематичний показчик журналу «Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна» за 2019 рік № Назва статті Стор. журналу Автоматизовані системи управління на транспорті Параметричний генератор частоти на неколінеарних магнітних полях К. І. Ящук, А. Ю. Журавльов, В. І. Щека 2 7 Вдосконалення схеми мікропроцесорного комплексу технічних засобів КТСМ К. І. Ящук, С. С. Петровський 6 7 Екологія та промислова безпека Виявлення зон хімічного забруднення в містах й оцінка ризиків хронічних захворювань М. М. Біляєв, Т. І. Русакова 1 7 Дослідження впливу хімічного складу конструкцій високовольтних кіл на виникнення пожеж на локомотивах В. В. Коваленко 1 17 Мінімізація рівня хімічного забруднення в робочих зонах на відкритій місцевості за допомогою екранів М. М. Біляєв, Т. І. Русакова, В. І. Шинкаренко 2 17 Очищення вод від пластику Л. Ф. Доліна, О. П. Савіна, Д. А. Доліна 2 27 Комплекс програм для оцінки рівня забруднення повітряного середовища І. В. Калашніков, В. О. Габрінець, В. М. Горячкін 2 41 Захист атмосфери від забруднення під час екстремальних ситуацій на хімічно небезпечних об’єктах М. М. Біляєв, і. В. Калашніков, В. І. Шинкаренко, В. М. Горячкін 3 7 Метод прогнозу параметрів аероіонного режиму в робочих зонах на відкритій місцевості Т. І. Русакова 3 16 Чисельне моделювання забруднення повітряного середовища від відвалів М. М. Біляєв, Т. І. Русакова, І. В. Калашніков, І. О. Бондаренко, О. Ю. Гунько 4 7 Комп'ютерне моделювання забруднення атмосферного повітря при русі пилової хмари в кар'єрі В. В. Біляєва, П. С. Кіріченко, О. В. Берлов, В. О. Габрінець, В. М. Горячкін 4 18 Технологія й технологічні схеми для очистки вод від залишків лікарських препаратів та пластику Л. Ф. Долина, П. Б. Машихіна, Д. А. Долина 4 26 Оцінка ефективності роботи аеротенків за рахунок додаткового влаштування закріпленого біоценозу О. Я. Олійник, Т. С. Айрапетян, С. М. Курганська 4 37 Розрахунок вибухонебезпечних зон у разі аварійної емісії аміаку Л. В. Амеліна, О. В. Берлов, М. Г. Малюгін, З. М. Якубовська 5 7 Прогнозування забруднення атмосфери в разі викидів з основних шахтних вентиляторів М. М. Біляєв, І. О. Бондаренко, Т. І. Русакова, В. І. Шинкаренко, В. О. Габрінець 5 16 Комп’ютерне моделювання вентиляції шахтної виїмки В. В. Біляєва, П. С. Кіріченко, О. Ю. Гунько, І. О. Бондаренко, П. Б. Машихіна, З. М. Якубовська 5 26 Моделювання очищення води у горизонтальному відстійнику В. А. Козачина, В. І. Шинкаренко, І. О. Бондаренко, В. О. Габрінець, В. М. Горячкін 5 36

156 № Назва статті Стор. журналу Оцінка ризику ураження з використанням методу Монте-Карло розрахунок вибухонебезпечних зон у разі аварійної емісії аміаку Л. В. Амеліна, М. М. Біляєв, О. В. Берлов, Л. А. Чередниченко 6 16 Фактор емісії пересувних джерел забруднення в задачах управління якістю повітря великих міст В. І. Ночвай 6 27 Моделювання очистки води у вертикальному відстійнику В. Д. Петренко, М. І. Нетеса, О. Л. Тютькін, О. В. Громова, В. А. Козачина 6 37 Економіка та управління Роль оновлення операційної системи в оптимізації роботи залізничної станції О. А. Ходоскіна, Ю. В. Матюшкова 1 26 Роль транспортної логістики в діяльності промислового підприємства О. А. Ходоскіна, В. Д. Анасович, А. І. Хількевич 2 49 Експлуатація та ремонт засобів транспорту Оцінка часу прибуття судна в порт С. П. Oнищенко, Ю. О. Коскіна 1 39 Полісемічність понять «демередж» і «детеншен» у практиці лінійного й трампового судноплавства О. Л. Дрожжин, Ю. О. Коскіна 3 27 Організація контролю технологічних процесів залізничних станцій на основі статистичних методів Д. М. Козаченко, Ю. М. Германюк, Е. К. Манафов 4 47 Роль залізничного транспорту україни в сучасних логістичних процесах Д. В. Ломотько, Г. О. Примаченко, Є. І. Григорова 5 43 Оцінка роботи локомотивного парку з використанням методів зменшення розмірності Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, Т. С. Гришечкіна, Є. Б. Боднар 6 45 Електричний транспорт, енергетичні системи та комплекси Гідроелектрична дорожня естакада A. Заркешев, C. Чісар 3 36 Оптимізаційні тягові задачі на залізничній мережі М. Г. Притула, О. А. Пасечник 3 44 Обґрунтування показників енергоефективності канатних доріг С. В. Ракша, О. С. Куроп’ятник, О. Л. Краснощок 6 60 Залізнична колія та автомобільні дороги Особливості напружено-деформованого стану суміщеної залізничної колії М. Б. Курган, Д. М. Курган, М. Ю. Бражник, Д. Л. Ковальський 1 51 Польові випробування клейових ізольованих рейкових стиків з використанням склопластикових і сталевих рейкових накладок A. Немес, С. Фішер 2 60 Результати лабораторних випробувань клейових ізостиків із традиційними сталевими й посиленими склопластиковими накладками A. Немес, С. Фішер 3 65 Вплив вагонів з осьовим навантаженням 25 тс/вісь на стан залізничної колії О. М. Патласов, Є. М. Федоренко 3 87 Удосконалена методика оцінки руйнування часток залізничного баласту Є. Юхас, С. Фішер 3 96

157 № Назва статті Стор. журналу Дослідження впливу динаміки рухомого складу на інтенсивність використання елементів конструкції колії І. О. Бондаренко, Л. О. Недужа 4 61 Дослідження відмінностей української та європейської залізничної інфраструктури М. Б. Курган, В. Г. Вербицький, Д. М. Курган 5 52 Огляд нижньої будови сучасних залізничних колій з баластним шаром і подальші дослідження Б. Eллер, С. Фішер 6 72 Додаткові лабораторні дослідження сучасних пластиково-полімерних накладок для рейкових з’єднань A. Немес, І. Фекете, С. Салай, С. Фішер 6 86 Дискретно-елементне моделювання руйнування часток залізничного баластного матеріалу за допомогою програмного забезпечення PFC3D Е. Юхас, Р. М. Мовахеді, І. Фекете, С. Фішер 6 103 Інформаційно-комунікаційні технології та математичне моделювання Єдина цифрова інфраструктура сучасної наукової бібліотеки на основі web-технологій І. А. Клюшник, Т. О. Колесникова, О. С. Шаповал 1 64 Розподілена динамічна pde-модель програмного керування завантаженнями технологічного обладнання виробничої лінії Г. К. Кожевнiков, О. М. Пiгнастий 1 81 Інтелектуальний підхід до визначення маршрутів у мережі інформаційно- телекомунікаційної системи залізничного транспорту В. М. Пахомова, Т. І. Скабалланович, В. С. Бондарева 2 77 Моделювання процесу оптимізації інвестицій на розвиток підприємства з урахуванням випадкових витрат З. М. Гасанов 4 74 Аналіз особливостей поїздок учнів і можливості здійснення шкільного автобусного перевезення А. Розанді, М. Агустієн, Д. Арліанся 4 82 Формалізація технологічних процесів залізничних станцій на основі поетапного моделювання О. В. Горбова 5 71 Визначення оптимального маршруту в інформаційній мережі залізничного транспорту з використанням нейронечітких моделей В. М. Пахомова, Є. С. Мандибура 5 81 Аналіз механізмів та ефективності спеціалізованих мов функціонального програмування І. М. Сторчак, О. П. Іванов 6 117

Матеріалознавство Знеміцнення під час нагрівання загартованої середньовуглецевої сталі І. О. Вакуленко, С. В. Пройдак, Л. І. Вакуленкo, М. А. Грищенко 1 94 Прогнозування властивостей монокристалічних жароміцних нікелевих сплавів О. А. Глотка, С. В. Гайдук 2 91 Особливості формування структури та властивостей сталі 09Х3НМ3ФБч під час хіміко-термічного оброблення В. В. Клочихін, О. Б. Милосердов, О. С. Подорога, В. Г. Міщенко 4 92

158 № Назва статті Стор. журналу Машинобудування Аналітичне визначення приведеного коефіцієнта опору обертанню механізмів повороту будівельних машин Л. М. Бондаренко, О. П. Посмітюха, К. Ц. Главацький 1 102 Кінематичний синтез кривошипно-повзункового механізму захоплювального пристрою за енергетичним індексом передачі руху Р. П. Погребняк, М. Р. Погребняк 1 117 Моделювання навантаженості та аналіз напружено-деформованого стану елементів порталу крана Ю. Г. Сагіров, В. В. Суглобов 3 110 Підвищення ефективності роботи пунктів навантаження металопродукції раціональним використанням мостових кранів С. М. Турпак, Л. О. Васильєва, О. О. Падченко, Г. О. Лебідь 6 130 Рухомий склад і тяга поїздів Оцінка напружено-деформованого стану рами візка дизель-поїзда ДПКР-2 під час дії розрахункових та експлуатаційних навантажень С. А. Костриця, С. Ю. Молчанов, М. В. Крамаренко, О. А. Гречкін, Д. В. Лактіонов 1 128 Визначення стійкості контейнера-цистерни відносно рами вагона-платформи під час перевезення на залізничному поромі А. О. Ловська 1 139 Вплив навантаження від осі піввагона на його динамічні показники та залізничну колію А. О. Швець, О. О. Болотов 1 151 Поздовжні нестаціонарні рухи магнітолевітуючого В. О. Поляков, М. М. Хачапурідзе 2 101 Дослідження особливостей дуального зносу колодок у гальмовій системі вантажних вагонів В. Г. Равлюк 2 111 Дослідження динамічних показників платформи в разі зміщення центра тяжіння вантажу О. В. Шатунов, А. О. Швець 2 127 Дослідження зносу коліс та рейок за несиметричного завантаження платформи О. В. Шатунов, А. О. Швець, О. А. Кирильчук, А. О. Швець 4 102 Інтегральна оцінка стану безпеки руху поїздів на залізниці під час технічного аудиту А. М. Окороков, М. О. Булах 5 99 Модернізація елементів гальмової важільної передачі візків вантажних вагонів В. Г. Равлюк 5 108 Динаміка піввагонів від дії поздовжніх сил А. О. Швець 6 142 Транспортне будівництво Перспективи використання ДБН В.2.6-161:2017 «Дерев’яні конструкції» в проектній практиці Д. О. Банніков 1 167 Раціональна конструкція покриття малопрогонової промислової будівлі для умов реконструкції Н. Г. Круглікова, Д. О. Банніков 2 144 Аналіз і перспективи досліджень впливу нвч-випромінювання на будівельні розчини й бетони Г. П. Іванова, С. О. Барсукова, О. В. Халимендик, О. М. Чума 3 121

159 Тематический указатель журнала «Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна» за 2019 год Номер Название статьи Стр. журн. Автоматизированные системы управления на транспорте Параметрический генератор частоты на неколлинеарных магнитных полях К. И. Ящук, А. Ю. Журавлев, В. И. Щека 2 7 Усовершенствование схемы микропроцессорного комплекса технических средств КТСМ К. И. Ящук, C. C. Петровский 6 7 Экология и промышленная безопасность Выявление зон химического загрязнения в городах и оценка рисков хронических заболеваний Н. Н. Беляев, Т. И. Русакова 1 7 Исследование влияния химического состава конструкций высоковольтных цепей на возникновение пожаров на локомотивах В. В. Коваленко 1 17 Минимизация уровня химического загрязнения в рабочих зонах на открытой местности с помощью экранов Н. Н. Беляев, Т. И. Русакова, В. И. Шинкаренко 2 17 Очистка вод от пластика Л. Ф. Долина, О. П. Савина, Д. А. Долина 2 27 Комплекс программ для оценки уровня загрязнения воздушной сред И. В. Калашников, В. А. Габринец, В. Н. Горячкин 2 41 Защита атмосферы от загрязнения при экстремальных ситуациях на химически опасных объектах Н. Н. Беляев, И. В. Калашников, В. И. Шинкаренко, В. Н. Горячкин 3 7 Метод прогноза параметров аэроионного режима в рабочих зонах на открытой местности Т. И. Русакова 3 16 Численное моделирование загрязнения воздушной среды от отвалов Н. Н. Беляев, Т. И. Русакова, И. В. Калашников, И. А. Бондаренко, Е. Ю. Гунько 4 7 Компьютерное моделирование загрязнения атмосферного воздуха при движущемся пылевом облаке в карьере В. В. Беляева, П. С. Кириченко, А. В. Берлов, В. А. Габринец, В. Н. Горячкин 4 18 Технология и технологические схемы для очистки вод от остатков лекарственных препаратов и пластика Л. Ф. Долина, П. Б. Машихина, Д. А. Долина 4 26 Оценка эффективности работы аэротенков за счет дополнительного устройства прикрепленного биоценоза А. Я. Олейник, Т. С. Айрапетян, С. Н. Курганская 4 37 Расчет взрывоопасных зон при аварийной эмиссии аммиака Л. В. Амелина, А. В. Берлов, М. Г. Малюгин, З. М. Якубовская 5 7 Прогнозирование загрязнения атмосферы в случае выбросов из основных шахтных вентиляторов Н. Н. Беляев, И. А. Бондаренко, Т. И. Русакова, В. И. Шинкаренко, В. А. Габринец 5 16 Компьютерное моделирование вентиляции шахтной выемки В. В. Беляева, П. С. Кириченко, Е. Ю. Гунько, И. А. Бондаренко, П. Б. Машихина, З. М. Якубовская 5 26 Моделирование очистки воды в горизонтальном отстойнике В. А. Козачина, В. И. Шинкаренко, И. А. Бондаренко, В. А. Габринец, В. Н. Горячкин 5 36

160 Номер Название статьи Стр. журн. Оценка риска поражения с использованием метода Монте-Карло Л. В. Амелина, Н. Н. Беляев, А. В. Берлов, Л. А. Чередниченко 6 16 Фактор эмиссии передвижных источников загрязнения в задачах управления качеством воздуха больших городов В. И. Ночвай 6 27 Моделирование очистки воды в вертикальном отстойнике В. Д. Петренко, Н. И. Нетеса, А. Л. Тютькин, Е. В. Громова, В. А. Козачина 6 37 Экономика и управление Роль обновления операционной системы в оптимизации работы железнодорожной станции О. А. Ходоскина, Ю. В. Матюшкова 1 26 Роль транспортной логистики в деятельности промышленного предприятия О. А. Ходоскина, В. Д. Анасович, А. И. Хилькевич 2 49 Эксплуатация и ремонт средств транспорта Оценка времени прибытия судна в порт С. П. Oнищенко, Ю. А. Коскина 1 39 Полисемичность понятий «демередж» и «детеншен» в практике линейного и трампового судоходства А. Л. Дрожжин, Ю. А. Коскина 3 27 Организация контроля технологических процессов железнодорожных станций на основании статистических методов Д. Н. Козаченко, Ю. Н. Германюк, Э. К. Манафов 4 47 Роль железнодорожного транспорта украины в современных логистических процессах Д. В. Ломотько, А. А. Примаченко, Е. И. Григорова 5 43 Оценка работы локомотивного парка с использованием методов уменьшения размерности Б. Е. Боднарь, А. Б. Очкасов, Т. С. Гришечкина, Е. Б. Боднарь 6 45 Электрический транспорт, энергетические системы и комплексы Гидроэлектрическая дорожная эстакада A. Заркешев, C. Чисар 3 36 Оптимизационные тяговые задачи на железнодорожной сети М. Г. Притула, А. А. Пасечник 3 44 Обоснование показателей энергоэффективности канатных дорог С. В. Ракша, А. С. Куропятник, А. Л. Краснощок 6 60 Железнодорожный путь и автомобильные дороги Особенности напряженно-деформированного состояния совмещенного железнодорожного путь Н. Б. Курган, Д. Н. Курган, М. Ю. Бражник, Д. Л. Ковальский 1 51 Полевые испытания клеевых изолированных рельсовых стыков с использованием стеклопластиковых и стальных рельсовых накладок A. Немес, С. Фишер 2 60 Результаты лабораторных испытаний клеевых изостыков с традиционными стальными и усиленными стеклопластиковыми накладками A. Немес, С. Фишер 3 65 Влияние вагонов с осевой нагрузкой 25 тс/ось на состояние железнодорожного пути А. М. Патласов, Е. М. Федоренко 3 87 Усовершенствованная методика оценки разрушения частиц железнодорожного балласта E. Юхас, С. Фишер 3 96

161 Номер Название статьи Стр. журн. Исследование влияния динамики подвижного состава на интенсивность использования элементов конструкции пути И. А. Бондаренко, Л. А. Недужая 4 61 Исследования различий украинской и европейской железнодорожной инфраструктуры Н. Б. Курган, В. Г. Вербицкий, Д. Н. Курган 5 52 Обзор нижнего строения современных железнодорожных путей с балластным слоем и дальнейшие исследования Б. Эллер, С. Фишер 6 72 Дополнительные лабораторные исследования современных пластиково- полимерных накладок для рельсовых соединений A. Немес, И. Фекете, С. Салай, С. Фишер 6 86 Дискретно-элементное моделирование разрушения частиц железнодорожного балластного материала с помощью программного обеспечения PFC3D Е. Юхас, Р. М. Мовахеди, И. Фекете, С. Фишер 6 103 Информационно-коммуникационные технологии и математическое моделирование Единая цифровая инфраструктура современной научной библиотеки на основе WEB-технологий И. А. Клюшник, Т. А. Колесникова, А. С. Шаповал 1 64 Распределенная динамическая PDE-модель программного управления загрузкой технологического оборудования производственной линии Г. К. Кожевников, О. М. Пигнастый 1 81 Интеллектуальный подход к определению маршрутов в сети информационно- телекоммуникационной системы железнодорожного транспорта В. Н. Пахомова, Т. И. Скабалланович, В. С. Бондарева 2 77 Моделирование процесса оптимизации инвестиций на развитие предприятия с учетом случайных затрат З. М. Гасанов 4 74 Анализ особенностей поездок учеников и возможности осуществления школьных автобусных перевозок А. Розанди, М. Агустиен, Д. Арлианся 4 82 Формализация технологических процессов железнодорожных станций на основе поэтапного моделирования А. В. Горбова 5 71 Определение оптимального маршрута в информационной сети железнодорожного транспорта с использованием нейронечетких моделей В. Н. Пахомова, Е. С. Мандыбура 5 81 Анализ механизмов и эффективности специализированых языков функционального программирования И. М. Сторчак, А. П. Иванов 6 117 Материаловедение Разупрочнение при нагреве закаленной среднеуглеродистой стали И. А. Вакуленко, С. В. Пройдак, Л. И. Вакуленко, Н. А. Грищенко 1 94 Прогнозирование свойств монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов А. А. Глотка, С. В. Гайдук 2 91 Особенности формирования структуры и свойств стали 09Х3НМ3ФБч при химико-термической обработке В. В. Клочихин, А. Б. Милосердов, А. С. Подорога, В. Г. Мищенко 4 92

162 Номер Название статьи Стр. журн. Машиностроение Аналитическое определение приведенного коэффициента сопротивления вращению механизмов поворота строительных машин Л. Н. Бондаренко, А. П. Посмитюха, К. Ц. Главацкий 1 102 Кинематический синтез кривошипно-ползунного механизма захватывающего устройства по энергетическому индексу передачи движения Р. П. Погребняк, М. Р. Погребняк 1 117 Моделирование нагруженности и анализ напряженно-деформированного состояния элементов портала крана Ю. Г. Сагиров, В. В. Суглобов 3 110 Повышение эффективности работы пунктов погрузки металлопродукции рациональным использованием мостовых кранов С. Н. Турпак, Л. О. Васильева, Е. А. Падченко, А. А. Лебедь 6 130 Подвижной состав и тяга поездов Оценка напряжённо-деформированного состояния рамы тележки дизель-поезда ДПКР-2 при действии расчётных и эксплуатационных нагрузок С. А. Кострица, С. Ю. Молчанов, М. В. Крамаренко, А. А. Гречкин, Д. В. Лактионов 1 128 Определение устойчивости контейнера-цистерны относительно рамы вагона- платформы при перевозке на железнодорожном пароме А. А. Ловская 1 139 Влияние нагрузки от оси полувагона на его динамические показатели и железнодорожный путь А. А. Швец, А. А. Болотов 1 151 Продольные нестационарные движения магнитолевитирующего поезда В. А. Поляков, Н. М. Хачапуридзе 2 101 Исследование особенностей дуального износа колодок в тормозной системе грузовых вагонов В. Г. Равлюк 2 111 Исследование динамических показателей платформы при смещении центра тяжести груза А. В. Шатунов, А. А. Швец 2 127 Исследование износа колес и рельсов при несимметричной загрузке платформы А. В. Шатунов, А. А. Швец, О. А. Кирильчук, А. А. Швец 4 102 Интегральная оценка состояния безопасности движения поездов на железной дороге при техническом аудите А. М. Окороков, М. А. Булах 5 99 Модернизация элементов тормозной рычажной передачи тележек грузовых вагонов В. Г. Равлюк 5 108 Динамика полувагонов от действия продольных сил А. А. Швец 6 142 Транспортное строительство Перспективы использования ДБН В.2.6-161:2017 «Деревянные конструкции» в проектной практике Д. О. Банников 1 167 Рациональная конструкция покрытия малопролетного промышленного здания для условий реконструкции Н. Г. Кругликова, Д. О. Банников 2 144 Анализ и перспективы исследований влияния СВЧ-излучения на строительные растворы и бетоны А. П. Иванова, С. О. Барсукова, А. В. Халимендик, А. Н. Чумак 3 121

163 Subject index to the journal «Nauka ta Progres Transportu. Vìsnik Dnìpropetrovs’kogo Nacìonal’nogo Unì versitetu Zalìzničnogo Transportu = Science and Transport Progress» for 2019 Journal Article title number Page Automated and Telematic Systems on Transport Parametric frequency generator on noncollinear magnetic fields K. I. Yashchuk, A. Y. Zhuravlev, V. I. Shcheka 2 7 Improvement of microprocessor complex scheme using microprocessor hardware complex K. I. Yashchuk, S. S. Petrovsky 6 7 Ecology and Industrial Safety Determining zones of chemical pollution in the cities and assessment of chronic diseases risks M. M. Biliaiev, T. I. Rusakova 1 7 Influence research of chemical composition of high-voltage circuit designs on the fire break-out at the locomotives V. V. Kovalenko 1 17 Minimization of the chemical pollution level at the working zones in open areas using screens M. M. Biliaiev, T. I. Rusakova, V. I. Shynkarenko 2 17 Cleaning water from plastic L. F. Dolina, O. P. Savina, D. A. Dolina 2 27 Complex of programs for assessment of air environment pollution level I. V. Kalashnikov, V. O. Gabrinets, V. M. Horiachkin 2 41 Atmosphere protection from pollution in accidental situations at chemically hazardous objects M. M. Biliaiev, I. V. Kalashnikov, V. I. Shynkarenko, V. M. Horiachkin 3 7 Method for predicting parameters of the aerioional regime in open terrain ground areas T. I. Rusakova 3 16 Numerical modeling of air pollution from dumps M. M. Biliaiev, T. I. Rusakova, I. V. Kalashnikov, I. O. Bondarenko, E. Y. Gunko 4 7 Computer modeling of air pollution in case of dust cloud movement in open pit mine V. V. Biliaieva, P. S. Kirichenko, O. V. Berlov, V. O. Gabrinets, V. N. Horiachkin 4 18 Technology and technological schemes for water purification from residues of drugs and plastic L. F. Dolina, P. B. Mashykhina, D. A. Dolina 4 26 Evaluation of the performance of aerated lagoons due to add-on attached biocenosis O. Y. Oleynik, T. S. Airapetian, S. M. Kurganska 4 37 Calculation of explosive zones in emergency emission of ammonia L. V. Amelina, O. V. Berlov, M. H. Maliuhin, Z. M. Yakubovska 5 7 Prediction of atmosphere pollution in case of emissions from main mine fans M. M. Biliaiev, I. O. Bondarenko, T. I. Rusakova, V. I. Shynkarenko, V. A. Gabrinets 5 16 Computer simulation of dead-end mine working ventilation V. V. Biliaieva, P. S. Kirichenko, E. Y. Gunko, I. O. Bondarenko, P. B. Mashykhina, Z. M. Yakubovska 5 26 Water cleaning modeling in a horizontal settler V. A. Kozachyna, V. I. Shynkarenko, I. O. Bondarenko, V. A. Gabrinets, V. M. Horiachkin 5 36 Risk assessment with the use of the monte-carlo method L. V. Amelina, M. M. Biliaiev, O. V. Berlov, L. A. Cherednychenko 6 16 Mobile pollution sources emission factors in the tasks of air quality management of large cities V. І. Nochvai 6 27

164 Journal Article title number Page Modeling of waste water treatment in vertical settler V. D. Petrenko, M. I. Netesa, o. l. Tiutkin, O. V. Gromova, V. А. Kozachyna 6 37 Economics and Management The role of operating system upgrade in optimizing the operation of the railway station O. A. Hodoskina, Y. V. Matyushkova 1 29 The role of transport logistics in the activities of industrial enterprises O. A. Hodoskina, V. D. Anasovich, A. I. Hilkevich 2 49 Operation and Repair of Transport Means Estimation of the time of the vessel's arrival at port S. P. Onyshchenko, Y. A. Koskina 1 39 Polysemicity of the terms «demurrage» and «detention» applied in the practice of liner and tramp shipping O. L. Drozhzhyn, Y. O. Koskina 3 27 Control organization of technological processes of railway stations on the basis of statistical methods D. M. Kozachenko, Y. N. Hermaniuk, E. K. Manafov 4 47 The role of ukrainian railway transport in modern logistic processes D. V. Lomotko, H. O. Prymachenko, Y. I. Hryhorova 5 43 Assessment of locomotive fleet operation using the methods of decreasing dimensions B. Y. Bodnar, A. B. Ochkasov, T. S. Hryshechkyna, Y. B. Bodnar 6 45 Electric Transport, Power Systems and Complexes Hydroelectric road ramp A. Zarkeshev, C. Csiszar 3 36 Optimizational traction tasks on the railway network M. G. Prytula, О. А. Pasechnyk 3 44 Justification of criteria for ropeways energy efficiency S. V. Raksha, O. S. Kuropiatnyk, O. L. Krasnoshchok 6 60 Railroad and Roadway Network Features of stress-strain state of the dual railway gauge M. B. Kurhan, D. M. Kurhan, M. Y. Brazhnyk, D. L. Kovalskyi 1 51 Field tests of glued insulated rail joints with usage of special plastic and steel fishplates A. Nemeth, S. Fischer 2 60 Laboratory test results of glued insulated rail joints assembled with traditional steel and fibre-glass reinforced resin-bonded fishplates A. Nemeth, S. Fischer 3 65 Impact of cars with 25 TF/AXLE load on the track condition О. M. Patlasov, E. M. Fedorenko 3 87 Specific evaluation methodology of railway ballast particles’ degradation E. Juhasz S. Fischer 3 96 Investigation of the influence of the rolling stock dynamics on the intensity of using the railway track elements I. O. Bondarenko, L. О. Nеduzha 4 61 Difference research of ukrainian and european railway infrastructure M. B. Kurhan, V. G. Verbitskii, D. M. Kurhan 5 52 Review of the modern ballasted railway tracks’ substructure and further investigations B. Eller, S. Fischer 6 72 Supplementary laboratory investigations of modern plastic-polymer fishplates for rail joints A. Nemeth, I. Fekete, S. Szalai, S. Fischer 6 86

165 Journal Article title number Page Discrete element modelling of particle degardation of railway ballast material with PFC3D software E. Juhasz, R. M. Movahedi, I. Fekete, S. Fischer 6 103 Information and Communication Technologies and Mathematical Modeling Unified digital infrastructure of the modern scientific library on the basis of web technologies І. А. Kliushnyk, T. O. Kolesnykova, О. S. Shapoval 1 64 Distributed dynamic pde-model of program control by utilization of the technological equipment of production line G. K. Kozevnikov, O. M. Pihnastyi 1 81 Intelligent routing in the network of information and telecommunication system of railway transport V. M. Pakhomova, T. I. Skaballanovich, V. S. Bondareva 2 77 Modeling the optimization process of investments in development of the enterprise taking into account random costs Z. M. Gasanov 4 74 The analysis of travel characteristics and the school bus provision plan based on students’ transportation mode A. Rozandi, M. Agustien, J. Arliansyah 4 82 Formalization of the technological processes at railway stations based on the step-by-step modeling A. V. Gorbova 5 71 Optimal route definition in the railway information network using neural-fuzzy models V. M. Pakhomova, Y. S. Mandybura 5 81 Analysis of mechanisms and efficiency of specialized languages of functional programming I. M. Storchak, O. P. Ivanov 6 117 Material Science Softening of hardened medium-carbon steel during heating I. O. Vakulenko, S. V. Proidak, L. I. Vakulenko, N. A. Grischenko 1 94 Prediction of the properties of single-crystal heat-resistance nickel alloys O. A. Glotka, S. V. Haiduk 2 91 Features of formation of the structure and properties of steel 09Cr3NiMo3VNbr during thermochemical treatment V. V. Klochikhin, O. B. Miloserdov, O. S. Podoroha, V. H. Mishchenko 4 92 Mechanical Engineering Analytical determination of the reduced rotational resistance coefficient of the construction machine slewing gear L. M. Bondarenko, O. P. Posmityukha, K. T. Hlavatskyi 1 102 Kinematic synthesis of crank-slider mechanism of the gripping device based on the power transmission index R. P. Pogrebnyak, M. R. Pohrebniak 1 117 Modeling of loading and analysis of the stress-strain state of portal crane gantry element Y. H. Sahirov, V. V. Suglobov 3 110 Increasing operation effectivity of metal products loading points by the rational use of bridge cranes S. M. Turpak, L. O. Vasylieva, O. O. Padchenko, H. O. Lebid 6 130 Rolling Stock and Train Traction Stress-strain state assessment of the bogie frame of DPKR-2 diesel train under action of design and operational loads S. A. Kostrytsia, S. Y. Molchanov, M. V. Kramarenko, A. A. Hrechkin, D. V. Laktionov 1 128

166 Journal Article title number Page Determination of the tank container stability relative to the frame of a flat car during train ferry transportation A. O. Lovska 1 139 Influence of loading from the axle of a gondola car on its dynamic indicators and railway track A. O. Shvets, О. О. Bolotov 1 151 Longitudinal non-stationary motions of maglev train V. A. Polyakov, N. M. Khachapuridze 2 101 Investigation of features of dual wear of pads in brake system of freight cars V. G. Ravlyuk 2 111 Study of dynamic indicators of flat wagon with load centre shift O. V. Shatunov, A. O. Shvets 2 127 Research of wheel-rail wear due to non-symmetrical loading of a flat car O. V. Shatunov, A. O. Shvets, O. A. Kirilchuk, A. O. Shvets 4 102 Integral assessment of the state of railway train safety during technical audit A. M. Okorokov, M. O. Bulakh 5 99 The modernization of the elements of the brake lever transmission of freight cars bogies V. G. Ravlyuk 5 108 Gondola cars dynamics from the action of longitudinal forces A. O. Shvets 6 142 Transport Construction Outlooks of using DBN B.2.6-161:2017 «Wooden structures» in design practice D. О. Bannikov 1 167 Rational design of short-span industrial building roof for reconstruction conditions N. G. Kruhlikova, D. О. Bannikov 2 144 Analysis and perspectives of research on the influence of microwave radiation on mortars and concretes G. P. Ivanova, S. O. Barsukova, O. V. Khalymendyk, O. M. Chumak 3 121

167 ЗМІСТ

АВТОМАТИЗОВАНІ ТА ТЕЛЕМАТИЧНІ ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНІ СИСТЕМИ НА ТРАНСПОРТІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА МАТЕМАТИЧНЕ К. І. ЯЩУК, С. С. ПЕТРОВСЬКИЙ МОДЕЛЮВАННЯ ВДОСКОНАЛЕННЯ СХЕМИ МІКРОПРОЦЕСОРНОГО КОМПЛЕКСУ ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ КТСМ ...... 7 І. М. СТОРЧАК, О. П. ІВАНОВ АНАЛІЗ МЕХАНІЗМІВ ТА ЕФЕКТИВНОСТІ СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ МОВ ФУНКЦІОНАЛЬНОГО ЕКОЛОГІЯ ТА ПРОМИСЛОВА БЕЗПЕКА ПРОГРАМУВАННЯ ...... 117 Л. В. АМЕЛІНА, М. М. БІЛЯЄВ, О. В. БЕРЛОВ, Л. А. ЧЕРЕДНИЧЕНКО МАШИНОБУДУВАННЯ ОЦІНКА РИЗИКУ УРАЖЕННЯ З ВИКОРИСТАННЯМ МЕТОДУ МОНТЕ-КАРЛОРОЗРАХУНОК С. М. ТУРПАК, Л. О. ВАСИЛЬЄВА, ВИБУХОНЕБЕЗПЕЧНИХ ЗОН У РАЗІ АВАРІЙНОЇ О. О. ПАДЧЕНКО, Г. О. ЛЕБІДЬ ЕМІСІЇ АМІАКУ ...... 16 ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ ПУНКТІВ НАВАНТАЖЕННЯ МЕТАЛОПРОДУКЦІЇ В. І. НОЧВАЙ РАЦІОНАЛЬНИМ ВИКОРИСТАННЯМ МОСТОВИХ ФАКТОР ЕМІСІЇ ПЕРЕСУВНИХ ДЖЕРЕЛ КРАНІВ ...... 130 ЗАБРУДНЕННЯ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛІННЯ ЯКІСТЮ ПОВІТРЯ ВЕЛИКИХ МІСТ ...... 27 РУХОМИЙ СКЛАД І ТЯГА ПОЇЗДІВ В. Д. ПЕТРЕНКО, М. І. НЕТЕСА, О. Л. ТЮТЬКІН, О. В. ГРОМОВА, В. А. КОЗАЧИНА А. О ШВЕЦЬ МОДЕЛЮВАННЯ ОЧИСТКИ ВОДИ ДИНАМІКА ПІВВАГОНІВ ВІД ДІЇ ПОЗДОВЖНІХ У ВЕРТИКАЛЬНОМУ ВІДСТІЙНИКУ ...... 37 СИЛ ...... 142

ТЕМАТИЧНИЙ ПОКАЖЧИК ЖУРНАЛУ ЕКСПЛУАТАЦІЯ ТА РЕМОНТ ЗАСОБІВ «НАУКА ТА ПРОГРЕС ТРАНСПОРТУ. ВІСНИК ТРАНСПОРТУ ДНІПРОПЕТРОВСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО Б. Є. БОДНАР, О. Б. ОЧКАСОВ, УНІВЕРСИТЕТУ ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ» ЗА 2019 РІК ...... 156 Т. С. ГРИШЕЧКІНА, Є. Б. БОДНАР ОЦІНКА РОБОТИ ЛОКОМОТИВНОГО ПАРКУ З ВИКОРИСТАННЯМ МЕТОДІВ ЗМЕНШЕННЯ РОЗМІРНОСТІ ...... 45

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ С. В. РАКША, О. С. КУРОП’ЯТНИК, О. Л. КРАСНОЩОК ОБҐРУНТУВАННЯ ПОКАЗНИКІВ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ КАНАТНИХ ДОРІГ...... 60

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ ТА АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ Б. EЛЛЕР, С. ФІШЕР ОГЛЯД НИЖНЬОЇ БУДОВИ СУЧАСНИХ ЗАЛІЗНИЧНИХ КОЛІЙ З БАЛАСТНИМ ШАРОМ І ПОДАЛЬШІ ДОСЛІДЖЕННЯ ...... 72 A. НЕМЕС, І. ФЕКЕТЕ, С. САЛАЙ, С. ФІШЕР ДОДАТКОВІ ЛАБОРАТОРНІ ДОСЛІДЖЕННЯ СУЧАСНИХ ПЛАСТИКОВО-ПОЛІМЕРНИХ НАКЛАДОК ДЛЯ РЕЙКОВИХ З’ЄДНАНЬ ...... 86 Е. ЮХАС, Р. М. МОВАХЕДІ, І. ФЕКЕТЕ, С. ФІШЕР ДИСКРЕТНО-ЕЛЕМЕНТНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РУЙНУВАННЯ ЧАСТОК ЗАЛІЗНИЧНОГО БАЛАСТНОГО МАТЕРІАЛУ ЗА ДОПОМОГОЮ ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ PFC3D ...... 103

168 СОДЕРЖАНИЕ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО- И ТЕЛЕМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НА КОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ТРАНСПОРТЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ К. И. ЯЩУК, C. C. ПЕТРОВСКИЙ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМЫ И. М. СТОРЧАК, А. П. ИВАНОВ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО КОМПЛЕКСА АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ КТСМ ...... 7 СПЕЦИАЛИЗИРОВАНЫХ ЯЗЫКОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ ...... 117 ЭКОЛОГИЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ МАШИНОСТРОЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТЬ С. Н. ТУРПАК, Л. О. ВАСИЛЬЕВА, Е. А. ПАДЧЕНКО, Л. В. АМЕЛИНА, Н. Н. БЕЛЯЕВ, А. В. БЕРЛОВ, А. А. ЛЕБЕДЬ Л. А. ЧЕРЕДНИЧЕНКО ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ОЦЕНКА РИСКА ПОРАЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПУНКТОВ ПОГРУЗКИ МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ МЕТОДА МОНТЕ-КАРЛО ...... 16 РАЦИОНАЛЬНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОСТОВЫХ В. И. НОЧВАЙ КРАНОВ ...... 130 ФАКТОР ЭМИССИИ ПЕРЕДВИЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ КАЧЕСТВОМ ВОЗДУХА БОЛЬШИХ ГОРОДОВ ...... 27 И ТЯГА ПОЕЗДОВ В. Д. ПЕТРЕНКО, Н. И. НЕТЕСА, А. Л. ТЮТЬКИН, А. А. ШВЕЦ Е. В. ГРОМОВА, В. А. КОЗАЧИНА ДИНАМИКА ПОЛУВАГОНОВ ОТ ДЕЙСТВИЯ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОЧИСТКИ ВОДЫ ПРОДОЛЬНЫХ СИЛ ...... 142 В ВЕРТИКАЛЬНОМ ОТСТОЙНИКЕ ...... 37 ТЕМАТИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ ЖУРНАЛА ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РЕМОНТ СРЕДСТВ «НАУКА ТА ПРОГРЕС ТРАНСПОРТУ. ВІСНИК ТРАНСПОРТА ДНІПРОПЕТРОВСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ» Б. Е. БОДНАРЬ, А. Б. ОЧКАСОВ, ЗА 2019 ГОД...... 160 Т. С. ГРИШЕЧКИНА, Е. Б. БОДНАРЬ ОЦЕНКА РАБОТЫ ЛОКОМОТИВНОГО ПАРКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ УМЕНЬШЕНИЯ РАЗМЕРНОСТИ ...... 45

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТРАНСПОРТ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ С. В. РАКША, А. С. КУРОПЯТНИК, А. Л. КРАСНОЩОК ОБОСНОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ КАНАТНЫХ ДОРОГ ...... 60

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ПУТЬ И АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДОРОГИ Б. ЭЛЛЕР, С. ФИШЕР ОБЗОР НИЖНЕГО СТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПУТЕЙ С БАЛЛАСТНЫМ СЛОЕМ И ДАЛЬНЕЙШИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ...... 72 A. НЕМЕС, И. ФЕКЕТЕ, С. САЛАЙ, С. ФИШЕР ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ПЛАСТИКОВО- ПОЛИМЕРНЫХ НАКЛАДОК ДЛЯ РЕЛЬСОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ...... 86 Е. ЮХАС, Р. М. МОВАХЕДИ, И. ФЕКЕТЕ, С. ФИШЕР ДИСКРЕТНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ ЧАСТИЦ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО БАЛЛАСТНОГО МАТЕРИАЛА С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ PFC3D ...... 103

169 CONTENTS

AUTOMATED AND TELEMATIC SYSTEMS INFORMATION AND COMMUNICATION ON TRANSPORT TECHNOLOGIES AND MATHEMATICAL K. I. YASHCHUK, S. S. PETROVSKY MODELLING IMPROVEMENT OF MICROPROCESSOR COMPLEX SCHEME USING MICROPROCESSOR HARDWARE I. M. STORCHAK, O. P. IVANOV COMPLEX ...... 7 ANALYSIS OF MECHANISMS AND EFFICIENCY OF SPECIALIZED LANGUAGES OF FUNCTIONAL ECOLOGY AND INDUSTRIAL SAFETY PROGRAMMING ...... 117 L. V. AMELINA, M. M. BILIAIEV, O. V. BERLOV, MECHANICAL ENGINEERING L. A. CHEREDNYCHENKO RISK ASSESSMENT WITH THE USE OF THE MONTE- S. M. TURPAK, L. O. VASYLIEVA, CARLO METHOD ...... 16 O. O. PADCHENKO, H. O. LEBID INCREASING OPERATION EFFECTIVITY OF METAL V. І. NOCHVAI PRODUCTS LOADING POINTS BY THE RATIONAL USE MOBILE POLLUTION SOURCES EMISSION FACTORS OF BRIDGE CRANES ...... 130 IN THE TASKS OF AIR QUALITY MANAGEMENT OF LARGE CITIES ...... 27 ROLLING STOCK AND TRAIN TRACTION V. D. PETRENKO, M. I. NETESA, O. L. TIUTKIN, O. V. GROMOVA, V. А. KOZACHYNA A. O. SHVETS MODELING OF WASTE WATER TREATMENT IN GONDOLA CARS DYNAMICS FROM THE ACTION OF VERTICAL SETTLER ...... 37 LONGITUDINAL FORCES ...... 142

SUBJECT INDEX TO THE JOURNAL «SCIENCE AND OPERATION AND REPAIR OF TRANSPORT TRANSPORT PROGRESS» FOR 2019 ...... 164 MEANS B. Y. BODNAR, A. B. OCHKASOV, T. S. HRYSHECHKYNA, Y. B. BODNAR ASSESSMENT OF LOCOMOTIVE FLEET OPERATION USING THE METHODS OF DECREASING DIMENSIONS ...... 45

ELECTRIC TRANSPORT, POWER SYSTEMS AND COMPLEXES S. V. RAKSHA, O. S. KUROPIATNYK, O. L. KRASNOSHCHOK JUSTIFICATION OF CRITERIA FOR ROPEWAYS ENERGY EFFICIENCY ...... 60

RAILROAD AND ROADWAY NETWORK B. ELLER, S. FISCHER REVIEW OF THE MODERN BALLASTED RAILWAY TRACKS’ SUBSTRUCTURE AND FURTHER INVESTIGATIONS ...... 72 A. NEMETH, I. FEKETE, S. SZALAI, S. FISCHER SUPPLEMENTARY LABORATORY INVESTIGATIONS OF MODERN PLASTIC-POLYMER FISHPLATES FOR RAIL JOINTS ...... 86 E. JUHASZ, R. M. MOVAHEDI, I. FEKETE, S. FISCHER DISCRETE ELEMENT MODELLING OF PARTICLE DEGARDATION OF RAILWAY BALLAST MATERIAL WITH PFC3D SOFTWARE ...... 103

170 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

ВИМОГИ ДО ОФОРМЛЕННЯ СТАТЕЙ

До публікації в журналі приймаються статті українською, російською або англійською мовами проблем- ного, узагальнюючого, методичного характеру, оригінальні наукові, практичні дослідження, які раніше ніде не видавалися. Матеріали необхідно надавати в друкованому та електронному вигляді у програмі Місrosoft Word. Для набору формул використовується MathType. Наукова стаття повинна відповідати вимогам п. 3 Постанови ВАК України № 7-05/1 від 15.01.2003 року. Матеріали рецензуються членами редакційної колегії журналу та сторонніми незалежними експертами, виходячи з принципу об’єктивності та з позицій вищих міжнародних академічних стандартів якості, та реда- гуються. Редакція залишає за собою право на стилістичну правку рукопису. Вимоги щодо обсягу наукових статей, повідомлень, відгуків та рецензій:  оглядові та проблемні статті – до 45 000 знаків з пробілами (7–10 с.);  загальні статті за рубриками видання – до 30 000 знаків з пробілами (5–7 с.);  наукове повідомлення – до 8 000 знаків з пробілами (до 2,5 с.);  відгук або рецензія – до 6 000 знаків з пробілами (до 2 с.). Матеріал надається у форматі А4, враховуючи таблиці, ілюстрації, список використаних джерел. Статті, більші за обсягом, можуть бути прийняті до розгляду на підставі рішення редколегії. Для здачі статті до друку авторам необхідно надати наступні документи: 1) файл зі статтею та друкований примірник рукопису з підписами всіх співавторів на останньому арку- ші роботи; 2) оригінал Ліцензійного договору з підписами всіх співавторів; 3) файл з відомостями про кожного з авторів – прізвище, ім’я, по-батькові повністю, посада, місце робо- ти, наукове звання, науковий ступінь, контактна інформація (телефон, адреса електронної пошти), код ORCID. Відомості про авторів подаються трьома мовами – українською, російською та англійською; 4) Оригінал експертного висновку. Увага! Згідно з міжнародними стандартами якості наукових публікацій необхідним є: наявність ав- торських розширених (250-300 слів) і структурованих резюме (рефератів – abstracts), у т.ч. англійською мо- вою, рецензій, пристатейних списків літератури в романському алфавіті тощо. Виклад основного матеріалу статті повинен мати такі елементи:  вступ: постановка проблеми, аналіз останніх досліджень;  мету;  методику: виклад основного матеріалу дослідження з повним обґрунтуванням отриманих наукових результатів. Докладно описують загальну методику дослідження, щоб його результати могли бути відтворе- ні: описується послідовність виконання дослідження, обґрунтовується вибір використовуваних і викладаєть- ся суть пропонованих методів і моделей, змістовно визначається, що саме досліджувалося кожним методом;  результати: містять експериментальні чи теоретичні дані, отримані в роботі, для демонстрації того, що отримано нове рішення проблеми, і що робота є значним кроком вперед у порівнянні з попередніми дос- лідженнями. Дані подаються у формі таблиць, графіків, діаграм, рівнянь, фотографій, рисунків, статистич- ними оцінками. Результати повинні бути викладені коротко і чітко, при цьому містити досить інформації для оцінки зроблених висновків, також має бути очевидно, чому для аналізу обрані саме ці дані;  наукову новизну та практичну значимість. Наукова новизна отриманих результатів викладається аргументовано, коротко і чітко. До наукової новизни не можна відносити прикладні результати (способи, пристрої, методики, схеми, алгоритми). Практичне значення отриманих результатів становлять відомості про використання результатів досліджень або рекомендації з їх використання;  висновки: необхідно навести досягнуті кількісні та якісні показники дослідження, викласти реко- мендації з їх використання.

З усіх питань звертайтеся до редакції журналу за адресою: Науково-технічна бібліотека (ауд. 166), Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, м. Дніпро, Україна, 49010 e-mail: [email protected]

Сайт журналу: http://stp.diit.edu.ua/

171 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

На уков е видання

НАУКА ТА ПРОГРЕС ТРАНСПОРТУ. ВІСНИК ДНІПРОПЕТРОВСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ ІМЕНІ АКАДЕМІКА В. ЛАЗАРЯНА №6 (84) 2019 (українською, російською та англійською мовами) Відповідальний за випуск – О. В. Помін ова Комп’ютерне верстання – О. В. Помін ова Літературна обробка – С. П. Лагдан

1 Формат 60  84 /8. Ум. друк. арк . 20,00 . Тираж 1 00 пр. Зам. № 02/06

Дніпровськ ий національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Адреса редакції, видавця: вул. Лазаряна, 2, кім. 267, м. Дніпро, 49010, Україна Тел.: +38 (056) 371-51-05 E-mail: [email protected], [email protected] Друк: Видавництво «Герда», 49000, м. Дніпро, пр. Д. Яворницького, 60 Свідоцтво суб’єкта видавничої справи серія ДК № 397 від 03.04.2001 р.

♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Научное издание

НАУКА ТА ПРОГРЕС ТРАНСПОРТУ. ВІСНИК ДНІПРОПЕТРОВСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ ІМЕНІ АКАДЕМІКА В. ЛАЗАРЯНА № 6 (84) 2019 (на украинском, русском и английском языках ) Ответственный за выпуск – О. В. Помин ова Компьютерная верстка – О. В. Поми нова Литературная обработка – С. П. Лагдан

1 Формат 60 84 /8. Ус. печат. лист. 20,00. Тираж 100 экз. Зак. №02/06

Днипровск ий национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна Адрес редакции, издателя: ул. Лазаряна, 2, ком. 267, г. Днипро, 49010, Украина Тел.: +38 (056) 371-51-05 E-mail: [email protected], [email protected] Печать : Издательство «Герда», 49000, г. Днипро, пр. Д. Яворницкого, 60 Свидетельство субъекта издательского дела серия ДК № 397 от 03.04.2001 г.

♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Scientific Edition

NAUKA TA PROGRES TRANSPORTU . VÌSNIK DNÌPRO PETROVS’KOGO NACÌONAL’NOGO UNÌVE RSI TETU ZALÌZNIČNOGO TRANSPORTU = SCIENCE AND TRANSPORT PROGRESS No. 6 (84) 201 9 (in Ukrainian, Russian and English languages) Responsible for issue – O. V. Pominova Desktop publishing – O. V. P ominova Redaction – S. P. Lahdan

1 Format 60 84 /8. Conventional printed sheet 20,00. Circulation 100. Order n o. 02/0 6

Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan Address of editor and editorial office Lazaryan St.,2, r.267, Dnipro , 49010, Ukraine Теl.: +38 (056) 371-51-05 E-mail: [email protected], [email protected] Printing Publishing house «Gerda», 49000, Dnipro, Yavornitsky av., 60