Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и цели исследования 12
1.1 Методы определения и показатели поперечной устойчивости пути на железных дорогах Российской Федерации 12
1.1.1 Существующая методика расчета устойчивости звеньевого пути против поперечного сдвига под поездом 12
1.1.2 Методика расчета устойчивости бесстыкового пути в сечении I с учетом действия температурных сил 19
1.1.3 Показатели отступлений от норм содержания в плане 22
1.1.4 Условие устойчивости незагруженного бесстыкового пути (сечение II) 26
1.1.5 Условие устойчивости незагруженного бесстыкового пути с учетом вибрационного воздействия поездов (сечение III) 28
1.1.6 Сравнительный анализ условий поперечной устойчивости загруженного и незагруженного пути (сечение I, II и III) 28
1.2 Методы определения и показатели поперечной устойчивости пути на зарубежных железных дорогах 31
1.2.1 Аналитические и эмпирические методы и показатели определения поперечной устойчивости бесстыкового пути 31
1.2.2 Стендовые методы и показатели определения поперечной устойчивости бесстыкового пути 42
Выводы по главе 1 45
Глава 2 Экспериментальное определение радиусов кривых на эксплуатируемых участках железнодорожного пути 46
2.1 Зависимость между параметрами кривой, длиной хорды и длиной осреднения кривизны пути (радиусов) 46
2.2 Обоснование значений длин осреднения кривизны пути (радиусов)
2.2.1 Выбор базового значения длины осреднения кривизны пути (радиусов) 51
2.2.2 Выбор минимального значения длины осреднения кривизны пути (радиусов) 53
2.3 Методика осреднения кривизны пути при определении базовых и минимальных радиусов 54
2.4 Необходимость исследования и характеристика опытных участков 60
2.5 Обработка результатов исследования
2.5.1 Методика выявления мест с ослабленной несущей поперечной способностью бесстыкового пути в плане и мониторинга их развития во времени 61
2.5.2 Определение радиусов кривых на исследуемых участках пути по диапазонам радиусов 63
2.5.3 Статистическая обработка изменения радиусов кривых 69
2.5.4 Определение вероятных значений радиусов кривых на исследуемых участках пути по диапазонам радиусов 73
2.5.5 Определение зависимости между исследуемыми радиусами кривых...75
2.5.5.1 Определение зависимости R4 (Дго) 76
2.5.5.2 Определение доверительных оценок и требуемого количества исследований для радиуса R4 81
2.5.5.3 Определение зависимости min R2o (RH) и min R4 (RH) 82
2.5.5.4 Определение доверительных оценок и требуемого количества исследований для радиусов min R2o и min R4 90
2.5.6 Определение расчетных вероятных значений базовых и минимальных радиусов кривых 92
Выводы по главе 2 93
Глава 3 Определение показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в процессе эксплуатации 94
3.1 Анализ существующих методик определения условий и показателей
поперечной устойчивости бесстыкового пути при ослабляющих факторах 94
3.2 Методика определения условий и показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в плане в процессе эксплуатации 96
3.3 Пример определения условий и показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в плане в процессе эксплуатации 103
3.4 Карточка поперечной устойчивости участка бесстыкового пути 105
3.5 Определение условий и показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в исследуемых кривых участках
3.5.1 Определение температурного эквивалента At.
3.5.2 Определение измененной минимальной температуры закрепления рельсовой плети min t з Ill
3.5.3 Проверка условия поперечной устойчивости t3 min t3 112
3.5.4 Определение температурного резерва AAW 114
3.5.5 Определение коэффициента поперечной устойчивости Ку 115
Выводы по главе 3 118
Глава 4 Реализация методики определения условий и показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в процессе эксплуатации 120
4.1 Пример реализации методики определения условий и показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути на исследуемых участках выбросов и контрольных участках 120
4.2 Сравнительный анализ показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в плане на участках выбросов и контрольных участках 132
4.3 Обоснование пороговых значений уровней безопасности эксплуатации предотказного состояния бесстыкового пути в плане 141
4.4 Оценка предотказного состояния бесстыкового пути в плане на примере участков выброса и контрольных участков 150
4.5 Программа «Контроль и анализ предотказного состояния бесстыкового пути в плане» 153
Выводы по главе 4 156
Заключение 157
Список литературы
- Существующая методика расчета устойчивости звеньевого пути против поперечного сдвига под поездом
- Выбор базового значения длины осреднения кривизны пути (радиусов)
- Определение условий и показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в исследуемых кривых участках
- Сравнительный анализ показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в плане на участках выбросов и контрольных участках
Существующая методика расчета устойчивости звеньевого пути против поперечного сдвига под поездом
Экспериментальная проверка устойчивости бесстыкового пути в сечении I выполнялась под руководством Ю.С. Ромена [23, 24]. В бесстыковом пути в сечении под направляющей осью экипажа (сечение I) на шпалу кроме поперечной силы Нш1 в этом же направлении действует радиальная составляющая Нш4 продольных температурных сил Nt, возникающих в рельсовых плетях при повышении температуры на величину At0» относительно температуры закрепления
Как известно из теоретических расчетов бесстыкового пути, доля температурных сил в зависимости от ожидаемого превышения температур рельсовой плети и радиуса кривой, ничтожно мала [25].
Проверим данный факт, предварительно рассчитав значение радиальной составляющей Нш4 продольных температурных сил Nt, сдвигающей шпалу сила, передающейся от направляющего рельса НшЬ вертикальное давление от рельса на шпалу Рш и другие параметры для рельсов Р65, ЖБ, Щ, анп = 0,7 м/с и At0 K = [Aty], взятое по ТУ-2012, под первой осью грузового вагона с тележками ЦНИИ-ХЗ. Значения Y6, Рср, С0, 1, fm, Цтр, kz и к приведены в [20]. Все расчеты выполним в табличной форме (таблица 1.3).
Как известно, в качестве единственного показателя оценки состояния пути в плане приняты дифференцированные по установленным скоростям движения поездов разности смежных стрел изгиба Af при различных расстояниях между их вершинами на ленте [26, 27, 28]. Диапазоны разностей стрел изгиба Af между смежными пиками неровностей, в свою очередь, поделены на степени отступлений.
Со временем нормативы допускаемых разностей стрел изгиба Af в плане менялись, но тенденция их роста оставалась неизменной. В таблице 1.4 приведены числовые значения допускаемых разностей стрел изгиба, относящиеся к 1957 г. и представляющие собой нормативы оценки положения кривых в плане [14, 19]. Таблица 1.4 - Допускаемая разность в стрелах изгиба Максимальнаяскорость движенияпоездов, км/ч Максимальная разность стрел изгиба, мм, на круговых кривых через 10 м Предельные отступления,мм, от расчетногонарастания стрел впереходных кривых при радиусах более 650 м при радиусах 650 м и менее более 70 6 8 ±3
Значения действующих норм или разностей смежных стрел изгиба и соответствующие им степени отступлений в плане представлены в таблице 1.6 [29].
Установленная скоростьдвижения поездов(числитель - пассажирские,знаменатель - грузовые),км/ч Степень отступления Разность смежных стрел,измеренных от середины хордыдлиной 20 м, мм при длиненеровности пути
Примечание. При обнаружении в кривых радиусом менее 850 м отступления в плане длиной до 10 м и величиной более 20 мм или длиной до 20 м и величиной более 25 мм скорость для грузовых поездов, имеющих в своем составе порожние вагоны, ограничивают до 60 км/ч.
Как известно, существующий показатель оценки состояния пути в плане Af был установлен еще до 1957 г. для «управления общим уровнем силового взаимодействия пути и подвижного состава» [14]. Во ВНИИЖТе даже разработаны зависимости рамных сил от разности стрел изгиба для вагонов и электровозов с неровностями пути в плане:
Исходя из формул (1.24) и (1.25), видно, что допускаемые пороговые значения разностей смежных стрел изгиба Af, выступающие и по сей день в качестве основного показателя отступлений от норм содержания в плане, были установлены по значениям рамных сил Hi. Увеличение в данных формулах амплитуд неровностей в плане Af приводит к повышению рамных сил Нь которые, в свою очередь, вызывают рост неровностей, и данный процесс развивается по нарастающей. Очевидно, что показатель Af устанавливался для загруженного звеньевого пути и выступал, как показатель плавности движения поездов в сечении, где боковые силы ведущей оси экипажа взаимодействуют с рельсом.
В настоящее время фактические отступления от норм содержания пути в плане измеряются автоматизированными путеизмерительными средствами (вагоны-путеизмерители, РПИ и др.) и пересчитываются в виде отклонений стрелы изгиба Af от номинальной стрелы изгиба fH для хорды L = 20 м. В процессе эксплуатации стрела изгиба изменяется от значения fH до значения fmax, которые можно представить следующей формулой:
Выбор базового значения длины осреднения кривизны пути (радиусов)
На основании - зависимости температурного эквивалента и базовых и минимальных радиусов кривых, формула (2.9); - приведенного обоснования длин осреднения кривизны пути при определении R6 = R-20 и Rm;n = R4, а также методики осреднения возникает необходимость: 1) исследования R2o и R4 в широком диапазоне радиусов и их изменения в процессе эксплуатации; 2) определения вероятностного диапазона значений R2o и R4, возникающих в процессе эксплуатации; 3) установления зависимостей между радиусами R2o и R4, min R2o и min R4 с целью дальнейшего анализа и мониторинга предотказного состояния бесстыкового пути в плане; 4) изучения динамики изменения радиусов R20 и R4, возникающих в процессе эксплуатации, и их влияния на показатели устойчивости бесстыкового пути в плане; 5) использование полученных значений R20 и R4 для определения условий и показателей поперечной устойчивости, характеризующих предотказное состояние бесстыкового пути в плане и др.
Изменение радиусов R20 и R4, а также их вероятностных значений min R20 и min R4 в процессе эксплуатации выполнялось экспериментально путем измерения кривизны пути при помощи автоматизированных диагностических средств на эксплуатируемых участках бесстыкового пути с конструкцией пути Р65, ЖБ, Щ и типовой формой балластной призмы. Характеристика опытных участков следующая: типы рельсовых скреплений: КБ-65, ЖБР-65, ЖБР-65Ш, АРС-4, установленная скорость движения поездов грузовых - 60-80 км/ч, пассажирских -100-140 км/ч. Рассматривались только однорадиусные кривые в диапазоне от 350 до 1200 м на путях 1 и 3 класса, имеющие отступления от норм содержания в плане II и III степени. Исследуемые участки бесстыкового пути расположены на Куйбышевской, Приволжской, Северо-Кавказской, Московской, Юго-Восточной, Восточно-Сибирской и Дальневосточной железной дороге. Более подробный перечень и характеристика данных участков представлены в Приложении 1.
Методика выявления мест с ослабленной несущей поперечной способностью бесстыкового пути в плане и мониторинга их развития во времени Методика выявления мест с ослабленной несущей поперечной способностью (устойчивостью) бесстыкового пути при образующихся в процессе эксплуатации неровностях в плане, заключается в следующем [125]:
Для определения места, которое характеризует базовое начальное положение и представляет собой систему отсчета, от которой в дальнейшем осуществляется контроль за несущей поперечной устойчивостью (способностью) пути, необходимо в пределах любого задаваемого участка пути (ПК, круговая кривая, рельсовая плеть и т.д.) определить среднее значение кривизны, осредненной на длине 20 м. Затем по формуле (2.10) пересчитать полученное значение в радиус R2o 2. Учитывая, что на несущую поперечную способность (устойчивость) бесстыкового пути при отступлениях (неровностях) в плане оказывают влияние места с наибольшим значением кривизны (наименьшим значением радиуса), следовательно, необходимо произвести определение данных локальных мест. Для определения данных мест необходимо в пределах любого аналогичного с R2o задаваемого участка пути (ПК, круговая кривая, рельсовая плеть и т.д.) осуществить выявление локального места с наибольшим значением кривизны, осредненной на длине 4 м. Затем по формуле (2.11) пересчитать полученное значение в радиус R4. 3. Для определения динамики развития мест с ослабленной несущей поперечной способностью (устойчивостью) бесстыкового пути в плане необходимо осуществить их мониторинг во времени.
Рассмотрим принцип работы данной методики на примере кривого участка пути, уложенного и эксплуатируемого на Куйбышевской железной дороге, Rn = 638 м (ПЧ-20, перегон Воеводское-Сура, путь 2, R(fcp) = 640 м по состоянию на июль 2013 г.).
Исходя из вышеописанного алгоритма методики, базовое среднее значение кривизны пути составляет р2о = 0,001555 1/м (рисунок 2.12), что соответствует радиусу кривой, полученному по данной кривизне, R20 = 645 м (рисунок 2.13).
Максимальное значение кривизны пути, ослабляющее поперечную устойчивость бесстыкового пути, в пределах круговой кривой при осреднении на длине 4 м составляет р4 = 0,002623 1/м (рисунок 2.12), что соответствует минимальному локальному радиусу кривой, полученному по данной кривизне, Рм = 381 м (рисунок 2.13). Далее на основе полученных значений кривизны р2о и р4 или радиусов R2o и Рм осуществляем их мониторинг во времени.
Исходя из проведенной статистической обработки радиусов Rn, R (fcp) и R2o можно сделать вывод о том, что данная группа радиусов во всех рассматриваемых диапазонах по своему численному значению равна. Об этом свидетельствует приведенная в таблице 2.18 статистика рассматриваемых радиусов. Например, относительная разница между исследуемыми радиусами R2o и Rn, R2o и R (fcp), R (fcp) и Rn в среднем по всему исследуемому диапазону (350 - 1200 м) составляет не более 2,7%, 1,2% и 2,5%, соответственно, что не превышает допускаемой величины [131, 132, 135, 136]. Следовательно, это дает основания для ответа на поставленный ранее вопрос и дальнейших расчетов, использовать в качестве базового радиуса кривой не Rn или R(fcp), a R20.
Определение условий и показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в исследуемых кривых участках
На основании разработанной в третьем разделе данной диссертационной работы методики определения условий и показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в плане, приведем пример ее реализации. Процесс реализации должен включать в себя проверку разработанных алгоритмов методики, а также адекватности и правильности получаемых результатов в соответствии с поставленными задачами. При этом апробация самой методики должна охватывать достаточно широкий диапазон данных, которые характеризуют разное состояние контролируемого объекта: от отличного до недопустимого. То есть, когда его состояние не требует никаких вмешательств и не представляет никаких рисков, до недопустимого, когда его состояние находится на грани отказного и имеет повышенную степень риска и опасности.
Поэтому реализацию разработанной методики, выполним на основе исследования группы данных, в каждой из которых присутствуют два участка, имеющие одинаковые эксплуатационные характеристики и сферу обслуживания в процессе всего рассматриваемого жизненного цикла, но на одном из них произошел выброс, а на другом (контрольный участок) - нет [145,146].
Для реализации методики используем данные по реальным участкам выбросов, произошедшим в 2011-2014 гг. на сети ОАО «РЖД» и аналогичным контрольным участкам. По каждому из участков выполним определение условий и показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в плане за период не менее полгода и произведем анализ полученных числовых значений.
Характеристика и подробный перечень рассматриваемых участков, которые были выбраны для реализации, представлены в таблице 4.1. Все участки сформированы по хронологии, в порядке происходящих выбросов. Напротив них приведены схожие по своим эксплуатационным характеристикам контрольные участки. В качестве основных эксплуатационных характеристик приведены класс, группа и категория участка, грузонапряженность, пропущенный тоннаж, установленные скорости и др.
Таким образом, для апробации разработанной методики, были задействованы 20 участков. Из них 10 участков с выбросами, произошедшими за последние 2011-2014 гг. (9 случаев - в кривых участках пути и 1 - в прямом участке пути), и 10 контрольных участков.
Используя алгоритм разработанной методики, определим числовые значения показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в плане, характеризующих степень его предотказного состояния на исследуемых участках выброса с учетом их изменения во времени (полгода) до момента выброса и аналогичных им контрольных участках [145, 146].
Ниже приведен подробный пример определения условий и показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в процессе эксплуатации по одному из наиболее характерных и показательных случаев выброса, произошедшему 22 июня 2013 г. на Забайкальской ж.д., ПЧ-10, перегон Таптугары-Семиозерный, 2 путь, 6942 км, ПК1 и аналогичному контрольному участку по Куйбышевской ж.д., ПЧ-4, перегон Белинская-Студенец, 1 путь, 626 км, ПК5.
Конструкция пути на участке выброса - рельсовые плети из рельсов Р65, шпалы железобетонные, балласт щебеночный, рельсовые плети уложены и закреплены при естественной температуре t3 = 25 С, Rn = 1365 м, tmaxmax = 58 С (ст. Амазар), [Aty] = 51 С (по ТУ-2000), At0 K. = 33 С.
Конструкция пути на контрольном участке - рельсовые плети из рельсов Р65, шпалы железобетонные, балласт щебеночный, рельсовые плети уложены и закреплены при естественной температуре t3 = 22 С, Rn = 1385 м, tmaxmax = 58 С (ст. Пенза), [Aty] = 51 С (по ТУ-2000), Мож. = 36 С.
По результатам контрольного проезда вагона-путеизмерителя (ПС-030) в июне 2013 г., предшествующему момент выброса, мгновенная (локальная) кривизна пути, измеряемая непрерывно с помощью гироскопической системы на участке выброса, имеет вид (рисунок 4.1).
Максимальное значение кривизны пути на рассматриваемом участке выброса при осреднении на длине 4 м находится в отмеченной на рисунке 4.3 точке на 6242 км, 66 м и равно 0,002541 1/м, что соответствует локальному радиусу, полученному по данной кривизне, Рм = 393 м. Среднее значение кривизны пути на участке выброса при осреднении на длине 20 м находится в положении, отмеченном на рисунке 4.3, и равно 0,000744, что соответствует радиусу, полученному по данной кривизне, R20 = 1343 м.
Максимальное значение кривизны пути на контрольном участке при осреднении на длине 4 находится в отмеченной на рисунке 4.4 точке на 626 км, 419 м, и равно 0,001138 1/м, что соответствует локальному радиусу, полученному по данной кривизне, R4 = 879 м. Среднее значение кривизны пути на рассматриваемом участке при осреднении на длине 20 м находится в положении, отмеченном на рисунке 4.4, и равно 0,000739, что соответствует радиусу, полученному по данной кривизне, R2o = 1353 м.
Проведение сравнительного анализа показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в плане, полученных на основе методики, на участках выброса и контрольных участках является неотъемлемой частью апробации. Данный анализ необходим для исследования поведения полученных числовых показателей на участках выброса и контрольных участках, установления взаимосвязей и соответствий между полученными данными и реальным состоянием пути с целью дальнейшего обоснования уровней безопасности эксплуатации предотказного состояния бесстыкового пути в плане и проверки работоспособности всей методики в целом [3, 145, 146].
Для проведения сравнительного анализа используем числовые значения показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути, полученные на участке выброса по Забайкальской ж.д., перегон Таптугары-Семиозерный (2 путь), 6942 км, ПК1 и на контрольном участке по Куйбышевской ж.д., перегон Белинская-Студенец (1 путь), 626 км, ІЖ5. Сравнение выполним на основе следующих числовых показателей: Ку.п (Дго) и Ку-п (Рм), AW и AAW.(X Сравнительные графики изменения описанных выше числовых показателей поперечной устойчивости за исследуемый период времени приведены на рисунках 4.5-4.7.
Сравнительный анализ показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в плане на участках выбросов и контрольных участках
Рекомендуемые пороговые значения уровней безопасности эксплуатации предотказного состояния бесстыкового пути в плане как по показателю коэффициента поперечной устойчивости, так и по интенсивности изменения температурного эквивалента во времени символизируют о том, что [154]: при обнаружении на рассматриваемом участке пути «недопустимого» уровня предотказного состояния рекомендуется принять меры по проведению неотложных работ, связанных с устранением обнаруженного состояния. «Недопустимое» предотказное состояние бесстыкового пути в плане соответствует предвыбросному и описывает состояние, за которым обычно следует выброс, т.е. отказ; - «нежелательный» уровень предотказного состояния говорит о том, что рассматриваемый участок бесстыкового пути находится в зоне повышенного риска, так как в любой момент может перейти в «недопустимый» уровень, должен быть поставлен на дополнительный контроль и приведен в надлежащее состояние работами текущего содержания; - «допустимый» уровень предотказного состояния не требует принятия каких-либо управленческих решений, однако при повышении рисков необходимо рассмотреть план работ, связанных с приведением их в «допустимое» или «не принимаемое в расчет» состояние; - «не принимаемый в расчет» уровень предотказного состояния бесстыкового пути в плане не требует никаких вмешательств в состояние пути.
Оценка предотказного состояния бесстыкового пути в плане на примере участков выброса и контрольных участков
На основании выбранных критериев оценки и принятых пороговых значений уровней безопасности выполним оценку предотказного состояния бесстыкового пути в плане на примере ранее рассматриваемого участка выброса по Забайкальской ж.д., перегон Таптугары-Семиозерный (2 путь), 6942 км, ПК1 и контрольного участка по Куйбышевской ж.д., перегон Белинская-Студенец (1 путь), 626 км, ПК5.
Для удобства интерпретации и последующего анализа полученных результатов, используем карточку мониторинга изменения поперечной устойчивости бесстыкового пути [154].
Исходя из анализа полученных данных, наглядно видно, что состояние бесстыкового пути в плане на участке выброса еще за полтора месяца до момента его возникновения начало резко ухудшаться (май, к). По результатам последней проверки (июнь, к), предшествующей выбросу, состояние пути как по коэффициенту поперечной устойчивости, так и по интенсивности изменения температурного эквивалента находилось в «недопустимом». Такое состояние, согласно матрице рисков требует проведения неотложных работ, которых проведено не было, и поэтому произошел выброс.
При анализе данных, полученных по контрольному участку видно, что предотказное состояние бесстыкового пути в плане на всем временном протяжении является стабильным и находится в «зеленом» или «не принимаемом в расчет» состоянии. Данное состояние не требует никаких вмешательств и соответствует действительности.
Карточки мониторинга изменения поперечной устойчивости бесстыкового пути в плане по остальным наиболее выразительным участкам выброса и контрольным участкам приведены в Приложении 2.
Таким образом, приведенные данные наглядно показывают, что разработанная методика и рекомендуемые пороговые значения уровней безопасности предотказного состояния, позволяют осуществлять достоверный контроль и оценку предотказного состояния бесстыкового пути в плане, причем делать это еще на ранних стадиях зарождения опасных неровностей.
По результатам разработанной методики определения условий и показателей поперечной устойчивости бесстыкового пути в плане, проведенных исследований и принятых пороговых значений уровней предотказного состояния совместно со специалистами НПЦ ИНФОТРАНС была разработана программа «Контроль и анализ предотказного состояния бесстыкового пути в плане» (КАПС БП УРРАН) с использованием методологии УРРАН [3, 155].
Программа КАПС БП УРРАН предназначена для контроля и анализа состояния бесстыкового пути в плане, оценки степени его предотказности и выявления мест, опасных с точки зрения выброса [155]. Программа полностью базируется на данных современных автоматизированных диагностических средств, преимущественно вагонов-путеизмерителей КВЛ-П модели 2.1 и выше. За основу принимается кривизна пути, рассматриваемая в узком спектральном диапазоне и анализ ее роста.