Назначение ремонтов пути по критерию равноупругости. Гавриленко А.К. Сборник ПТКБ ЦП. 2007г

Своевременно проведенные ремонтные работы – залог эффективной и безопасной эксплуатации железнодорожного пути. От баланса «разрушающих» и «восстанавливающих» факторов зависит равновесие любой системы. Для путевого комплекса в качестве разрушающих воздействий следует рассматривать показатели условий эксплуатации пути (пропущенный тоннаж, вес поездов, осевые нагрузки, скорости, динамические характеристики нагружения пути от подвижного состава, природно-климатические условия и явления и т.п.), а также естественные процессы старения и износа материалов; в качестве восстанавливающих воздействий – выполнение технического обслуживания и ремонта пути и его элементов, а также мероприятия по повышению технического уровня и мощности пути.

С точки зрения теории управления работы назначаются наиболее оптимально и эффективно, когда управляющие воздействия формируются на основе комплексного анализа состояния объектов и реализуются в соответствии с параметрами этого состояния с использованием принципа обратной связи.

Другой способ выбора управляющих воздействий – нормативный, когда решения принимаются в соответствии с заранее разработанной программой, исходя из единой для многих объектов исходной информацией.

Оба способа используются в путевом хозяйстве: объемы работ и соответствующее им обеспечение ресурсами определяется по нормам периодичности, а реализация по срокам и объемам – по фактическому состоянию пути и наличию ресурсов.

Действующие нормы содержания, межремонтные сроки, нормы потребности рабочей силы и расхода материалов не учитывают всех существенно влияющих факторов. Значительная часть показателей состояния элементов железнодорожного пути вообще не нормируется, отсутствуют приборы для их измерения, или существующие приборы не обеспечивают требуемую точность.

Доля необходимых затрат в путевом хозяйстве в последние годы неуклонно растет, однако фактические отчисления в путевое хозяйство от доходов не соответствуют ни росту затрат, ни изменениям в экономических условиях функционирования путевого хозяйства. При существующем положении дел при формировании ресурсов нормы содержания пути не учитываются, а система оплаты труда не ориентирует на качество работ.

Чтобы путевое хозяйство начало функционировать с большей эффективностью, нужно переходить от системы нормативного назначения ремонта к системе назначения ремонта по фактическому состоянию пути. Пока что все уверения об учете фактического состояния сводятся к определению некоторого средневзвешенного состояния пути на километр или в лучшем случае – на пикет. Назначать и выполнять ремонт нужно так, чтобы межремонтные сроки увеличивались – а для этого нужно, прежде всего, точно по месту (с привязкой до метра) находить причину расстройств,  и устранять в первую очередь причину, а с ней уйдут и негативные последствия.

Согласно исследованиям, проведенным в разные годы на кафедре «Путь и железнодорожное строительство» УрГУПС на накопление расстройств пути наибольшее влияние оказывает неравноупругость подрельсового основания. Она влияет: на стабильность состояния пути (переменчивая жесткость усложняет динамику взаимодействия подвижного состава и пути); на напряженно деформированное состояние пути (модуль упругости и коэффициент относительной жесткости пути учитывается во многих формулах расчета пути на прочность); на боковой износ рельсов.

Согласно Техническим условиям на работы по ремонту и планово-предупредительной выправке (далее ТУ), основными видами работ по приведению пути в равноупругое состояние являются подъемочный ремонт и планово-предупредительная выправка. Работы назначаются по результатам проверки путеизмерительным вагоном. Основным критерием служит предельное число отступлений на километр в зависимости от классности пути, дополнительными – доля негодных шпал и скреплений.

Сравнительная таблица критериев выбора участков, подлежащих подъемочному ремонту (П) и планово-предупредительной выправке пути (В)

(согласно ТУ)

Таблица 1

Количество отступлений по уровню (У), перекосу (П), просадке (Пр) и рихтовке (Р) при назначении подъемочного ремонта для 1 и 2 класса пути

Таблица 2

Таким образом, сегодня потребность в подъемочном ремонте и планово-предупредительной выправке определяется по условию накопления расстройств геометрии колеи до «граничного» значения [N] отступлений второй степени на километре за один сезон. Профессор В.О.Певзнер предлагает в первом приближении принять за граничное число 60 отступлений на километр и если в течение года прогнозное количество отступлений не превысит [N] шт/км в месяц, то выправка машинизированным способом не потребуется.  

Однако автору представляется такой подход не корректным.  Само нормирование по числу отступлений обладает рядом недостатков, которые вытекают из анализа таблицы 1 и 2:

1. Число отступлений на километр, загрязненность балласта, число негодных шпал и скреплений лишь косвенно отражают жесткость пути.

2. Имеется существенный разброс установленных скоростей, при которых нормируется одно и тоже число отступлений. При этом, чем выше грузонапряженность участка (группа пути), тем интервал скоростей больше.  Таким образом, по нормативам получается, что участки железнодорожных линий со скоростями 120-140 км/ч и участки со скоростями 40-60 км/ч находятся в одинаковых условиях для назначения вышеуказанных видов ремонтов.

3. Число отступлений на километре включает в себя слишком большое количество разнообразных отходов от норм (отступления по уровню, просадке, перекосу, рихтовке, и др.), а также всевозможных их сочетаний, что не позволяет дать качественную оценку проблем, вызвавших неравножесткость на участке.

4. Число отступлений на километр не является реальной физической величиной, с помощью которой можно определить напряжения или силы, возникающие в элементах верхнего строения пути.

Отсюда видно, что необходим пересмотр основных критериев назначения подъемочного ремонта и планово-предупредительной выправки с переходом на характеристику равножесткости участка. За такую характеристику следует принять модуль упругости подрельсового основания U, МПа, его среднеквадратическое отклонение 2, МПа и допустимый интервал изменения )U, найденный экспериментальным путем.

Эти величины имеют реальный физический смысл, накопление информации о таких величинах позволит проводить глубокий ретроспективный анализ изменения состояния пути, а также прогнозировать развитие ситуации с помощью различных моделирующих инструментов.

Сегодня в России для определения U только начали появляться нагрузочные средства. Их два – нагрузочный поезд ВНИИЖТа и лаборатория инженерно-геологического обследования (ЛИГО). Однако в обозримом будущем, эти дорогостоящие единичные на всю страну комплексы врятли когда-нибудь смогут проводить измерения модуля упругости подрельсового основания на всех дорогах Российской Федерации. Особенно в рамках ежегодного мониторинга для назначения планово-предупредительных работ.

Кафедра «Путь и железнодорожное строительство» УрГУПС предлагает способ определения U, основанный на совместной обработке данных о геометрии рельсовой колеи, полученных двумя инструментами: вагонами-путеизмерителями (ВПИ) и мобильными тележками аппаратно-программного комплекса (АПК) «Профиль». Последний представляет собой мини-путеизмеритель весом около 50-ти килограмм. Поэтому проход по одному и тому же участку двух измерительных комплексов дает картину поведения пути под нагрузкой (ВПИ) и без нагрузки (АПК).

Выбор этих инструментов тем более перспективен, что идет в русле приоритетов программы автоматизации управления в путевом хозяйстве АСУ-Путь. В концепции 2001 г. указаны следующие приоритеты на будущее: разработка и внедрение автоматизированных средств измерения и регистрации первичной информации; автоматизированная технология ведения базы данных технического состояния объектов пути по результатам контроля средствами диагностики; программно-технический комплекс планирования ремонта пути; автоматизированные задачи, охватывающие все уровни управления путевым хозяйством.

К исследованию были выбраны два участка Свердловск-сортировочной дистанции пути (Свердловская железная дорога) различных направлений. Данные по просадкам и уровню, полученные от прохода по исследуемым участкам вагона-путеизмерителя (ВПИ) и тележки АПК «Профиль» обрабатывались и импортировались в табличный редактор EXCEL. После чего строились совместные для обоих измерительных комплексов графики просадок и уровня с интервалом по длине 1 метр (рис. 1). Видно, что между графиками, полученными разными устройствами есть тесная корреляция. Разница графиков показывает упругий прогиб рельса y с учетом динамики вагона. Модуль упругости определяется расчетом. По полученным значениям построены графики модуля упругости U по каждому рельсу. Фрагменты графиков для участка №2 приведены на рис. 2.

Правильность методики получения данных об упругом прогибе рельса, проверена способом кафедры «Путь и железнодорожное строительство» УрГУПС (заявка на изобретение №2006122754/11 (024695), приоритет от 26.06.2006г.). Для этого используют цифровую видеосъемку момента прохождения колеса по рельсу с последующей обработкой в специальных компьютерных редакторах. Способ позволяет определить прогиб железнодорожных рельсов под движущейся нагрузкой с возможностью сохранения результатов замера в памяти цифровой видеокамеры (рис. 3). Проверка таким способом данных об упругом прогибе на выбранных случайным образом сечениях пути показала расхождение с методом «ВПИ-АПК» не более 16%, что свидетельствует о правильности методики «ВПИ-АПК».

Итак, предлагаемая методика назначения ремонтов по критерию равноупругости имеет следующий вид.

В зависимости от веса путеизмерителя и тележки АПК «Профиль», после обработки измерений и определения у будет рассчитан U с шагом 0,25м (как у вагонов-путеизмерителей) или с шагом 1м на участке. Затем по нормативам ЦП 52/14 устанавливается нормативный модуль упругости подрельсового основания U_норм и в зависимости от скорости движения на участке определяются пороговые значения изменений y (от у_мин до у_мах ), а следовательно и U (от U_мин  до U_мах). По данным ВНИИЖТа, при скорости движения 60 км/ч пороговые значения отступлений в вертикальной плоскости 3.5–5.5мм, а при скорости 100 км/ч – 2.5¸3.9мм. Таким образом, учитывается положительный опыт применения показателя СССП (скорости соответствующей состоянию пути) и ССКО (скользящих среднеквадратических отклонений) для назначения интервала равноупругости пути.

Все участки пути, на которых  U вышел за пределы  U_мин¸U_мах  подлежат дополнительному осмотру, для получения информации о состоянии шпального хозяйства и скреплений (впоследствии, с оснащением ВПИ модулями для видеоконтроля состояния пути, эта задача также автоматизируется). Кроме того, определяется ССКО модуля упругости пути 2, для численной оценки неравноупругости. Пороговые значения 2, при оценке необходимости работ по восстановлению равноупругости следует назначать исходя из скорости и грузонапряженности на участке. Полученная картина позволит принять обоснованное решение о необходимости восстановления равноупругости подрельсового основания.

Фрагмент предлагаемой таблицы критериев выбора участков

ремонтов по восстановлению равноупругости пути

(численные значения основных критериев находятся в разработке).

Таблица 3

В будущем, организация работы по определению U может выглядеть следующим образом. На ВПИ устанавливается дополнительное программное обеспечение для автоматизации расчетов. В дистанциях пути появляются тележки АПК «Профиль» для мобильного контроля состояния железнодорожного пути. Накануне контрольной поездки ВПИ специально обученный инженер дистанции пути проходит по участку с замерами АПК Профиль» и отправляет данные по электронной почте в путевой центр диагностики (ПЦД). Там данные заносят в базу данных ВПИ до поездки. В процессе контрольной поездки идет непрерывная совместная обработка данных, в результате которой в выходной ведомости ПУ-32 появляются данные о величинах U, 2  и рекомендации по включению участков в план ремонтов. На первых же порах предлагается апробация методики в неавтоматизированном режиме для возможности отладки учета разнообразных нюансов будущего программного обеспечения. То есть данные о проходах АПК и ВПИ может обрабатывать инженер ПЦД считая U, 2  и т.д.  в таблице MS Excel.  

Все это позволит отражать действительное состояние пути, дозированно по степени воздействия и точно по месту назначать машинизированную выправку и подъемочный ремонт. Неравноупругость пути станет универсальным показателем, по которому необходимо назначать работы, контролировать их выполнение и прогнозировать дальнейшее развитие ситуации.