Комплексный подход к оценке состояния железнодорожного пути.

КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО
ПУТИ
А.Б. Судовых
Несмотря на внедрение огромного количества компьютеризированных средств
диагностики железнодорожного пути, существующая система мониторинга в большей
степени нацелена на оперативный поиск и устранение отдельных неисправностей,
отдельно нормируются геометрические параметры, отдельно дефекты рельсов. Отдельно
состояние земляного полотна, хотя современные средства оценки состояния
железнодорожного пути позволяют получать данные, пригодные для комплексного
анализа всех параметров железнодорожного пути.
Поэтому разработка методики комплексной оценки геометрических параметров,
дефектов рельсов, упругих свойств железнодорожного пути на сегодняшний день является
одной из наиболее приоритетных целей железнодорожного транспорта.
Эта цель будет достигнута посредством выполнения следующих задач:
1) Рассмотреть недостатки существующей системы оценки железнодорожного пути.
2) Проанализировать существующие модели взаимодействия железнодорожного пути с
подвижным составом.
3) Разработать методику комплексной оценки геометрических параметров, дефектов
рельсов, упругих свойств железнодорожного пути.
Существует большое количество способов оценки состояния пути, написано много
научных работ на эту тему. В настоящее время на сети российских железных дорог
применяется балльная оценка пути. Согласно инструкции ЦП-515 [1] состояние отрезка
пути определяется по его качественной оценке. Километр оценивается по количеству и
степени обнаруженных на нём отступлений. В зависимости от количества отступлений 2ой, 3-ей и 4-ой степеней километр характеризуется оценкой с четырьмя градациями:
«отлично», «хорошо», «удовлетворительно» и «неудовлетворительно».
На железных дорогах ФРГ общий показатель состояния Q на рассматриваемом
участке пути определяется суммированием показателей по отдельным параметрам с
учетом их весовых коэффициентов ki.
Q=k1*s1 k2*s2 (перекосы) k3*s3 k4*s4 k5*s5; (1)
где s1 – неровности в профиле;
s2 – перекосы;
s3 – изменение ширины колеи;
s4 – положение пути по уровню;
s5 – стрелы изгиба в плане;
Похожий индекс качества пути применяется на польских железных дорогах. На
железных дорогах Великобритании и Нидерландов среднеквадратические отклонения
геометрических неровностей вычисляют для отрезков пути длиной 200 м.[2]
В ВНИИЖТе разработан показатель, называемый скоростью соответствующей
состоянию пути – это обобщенный показатель состояния рельсовой колеи рассчитывается
в зависимости от количества и степени отклонений железнодорожного пути от
нормативного.
Но все эти критерии оценивают отклонение пути от нормативного положения, не
учитывая того, как будет двигаться состав по участку пути.
До недавнего времени не было возможности моделировать столь сложные
динамические процессы, как моделирование динамики системы вагон-путь, но с
развитием мощности компьютеров и средств программного обеспечения эта возможность
появилась.
В Брянском государственном техническом университете группой ученых под
руководством Погорелова Д.Ю. при сотрудничестве с кафедрой «Вагоны» Уральского
государственного университете путей сообщения разработана модель взаимодействия
вагона с верхним строением пути.
В основе лежит теория взаимодействии колеса с рельсом, предложенная Калкером
и Картером [3,4]. Достоверность модели подтверждена экспериментально. Модель
прекрасно реализована, но есть и недостатки.
Например, в кандидатской диссертации Пермякова А.А. [5] рассматривалось
влияние различных состояний системы вагон-путь на безопасность движения.
Участок пути в его численных экспериментах, брался всегда один и тот же – кривая
радиусом 600 метров, якобы при таком радиусе вероятность схода больше чем при любых
других радиусах. Рельсы принимались новые Р65 по всей длине участка. Износы рельсов
в этой модели компенсировались изменением положения рельсовых нитей в плане и
профиле, что, на мой взгляд, не допустимо. Поэтому необходимо доработать эту модель
взаимодействия вагона с верхним строением пути с учетом реальной конструкции пути,
учитывая реальные изменения положения рельсовых нитей в плане и профиле, дефектов
рельсов, связанных с изменением формы рельса, а так же изменение упругих свойств
железнодорожного пути. Безусловно, влияние этих факторов на безопасность движения
нельзя недооценивать.
По мнению начальника ПЧ-6 Рублева С.А. совмещение бокового износа более 10
мм. (кодовое обозначение дефекта согласно [6] №44) и смятия головки рельса из-за
неравномерного износа механических свойств металла в месте стыка (кодовое
обозначение дефекта согласно [6] №46) (рис.1)
Рис.1 Сочетание дефектов рельсов №44 и №46
влечет за собой ситуацию опасную для безопасности движения. Возможно из-за того, что
при наезде колеса на рельс с данным сочетанием дефектов колесо с рельсом контактирует
только в гребне, вследствие, этого происходит вкатывание гребня колеса на головку
рельса. Данное сочетание неисправностей железнодорожного пути не учитывается ни в
одном нормативном документе.
Хотя вероятность такого сочетания не велика, мы не можем исключить этот вопрос
из рассмотрения, так как он связан с безопасностью движения. И это не единственный
пример неисправности, который может повлечь за собой сход состава и при этом ни как
не нормируется.
Процесс обезгруживания колеса опасен для безопасности движения, а отрыв колеса
от рельса тем более, так как это может вызвать всползание колеса на рельс (рис. 2).
Рис. 2 Процесс всползания колеса на рельс.
Данные динамики взаимодействия вагона с верхним строением пути предлагается
анализировать, отслеживая положение колеса относительно рельса т.е. вертикальный
отрыв и горизонтальное смещение, а так же время отрыва.
t ≥tсх≈h/v*tgα*tgβ:(2)
где tсх=t1- t0 - промежуток времени, в течении которого вертикальная миграция точки
контакта гребня колеса и рельса принимает значение, соответствующее первому условию;
v - скорость движения вагона;
h - высота гребня колеса, отмеряемая от уровня направляющего сечения до конца
прямолинейного участка образующей, для новых h=18 мм.;
β - угол наклона образующей конусообразной поверхности гребня колеса с горизонталью;
α - среднее значение угла набегания за промежуток времени tсх;
Проведен численный эксперимент: смоделировано движение порожнего
полувагона в кривой радиусом 800 м., шпалы железобетонные. В пределах круговой
кривой задано вышеупомянутое сочетание дефектов, боковой износ 10 мм. И смятие
головки рельса длиной 20 см. и глубиной 2 мм. по левой рельсовой нити, такое сочетание
не регламентируется (рис. 3).
Рис. 3 Поверхность головки рельса заданная при численном эксперименте.
Установлено, что уже при скорости 60 км/ч после прохождения данного сочетания
дефектов происходит отрыв левого колеса третьей колесной пары вагона от рельса (рис.
4).
Рис. 4 Величина отрыва левого колеса третьей колесной пары от рельса при скорости 60
км/ч.
А при скорости 70 км/ч величина отрыва увеличивается и возникает отрыв левого
колеса четвертой колесной пары вагона (рис. 5).
Рис. 5 Величина отрыва левых колес третьей и четвертой колесных пар от рельса при
скорости 70 км/ч.
С
увеличением
скорости
величина
отрывов
увеличивается.
Аналогичные результаты получены при расположении сочетания дефектов на правой
рельсовой нити, отрыв наблюдался на правых колесах третьей, четвертой колесных парах
при скоростях 60км/ч и выше.
Моделирование как нельзя лучше подходит для решения вопроса безопасности
движения, когда необходимо оценить действие многих факторов. Алгоритм комплексной
оценки состояния пути приведен на рис. 6.
Рис. 6 Алгоритм комплексной оценки состояния пути
Данные для моделирования можно брать из системы АСУ «Путевое хозяйство» и
при помощи специального алгоритма обрабатывать их при помощи модели
взаимодействия верхнего строения пути с вагоном.
На основании вышесказанного можно сделать следующий вывод – необходимо
комплексно оценивать такие параметры железнодорожного пути как: положение
рельсовых нитей в плане и профиле, дефекты рельсов, влияющие на их форму, упругие
свойства пути, отслеживая горизонтальное и вертикальное смещение колеса относительно
рельса и промежуток времени, в течении которого происходит смещение.
Литература:
1. Инструкция по расшифровке лент и оценке состояния рельсовой колеи по показаниям
путеизмерительного вагона ЦНИИ-2 и мерам по обеспечению безопасности движения
поездов/ МПС 14.10.1997.
2. В.В. Мишин, В.О. Певзнер, Б.Н. Зензинов «Комплексный показатель состояния
геометрии рельсовой колеи» ЦНИИТЭИ МПС серия «Путь и путевой хозяйство» выпыск
3 1999 г. Москва.
3. Carter F.W. On the action of locomotive driving wheel // Proceedings of Royal Society of
London. Ser. A. 1926.
4. Kalker J.J. Survey of wheel-rail rolling contact theory // Vehicle System Dynamics 1979.
5. А.А. Пермяков Безопасность движения вагона в кривых участках пути при различных
технических сочетания системы вагон-путь. Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук. УрГУПС 2004г.
6. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути / Транспорт: 2000.