Функциональная безопасность эксплуатации бесстыкового пути тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.06, доктор наук Суслов Олег Александрович

• Суслов Олег Александрович
• доктор наук
• 2017

Оглавление диссертации доктор наук Суслов Олег Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ПОКАЗАТЕЛИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

БЕССТЫКОВОГО ПУТИ

1.1 Анализ отказов потери устойчивости рельсошпальной решетки и определение наиболее значимых факторов, влияющих на их появление

1.2 Определение показателей, характеризующих безопасность движения, для отказов, возникающих при температурной работе бесстыкового пути

Выводы по главе

ГЛАВА 2 АНАЛИТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РАСЧЕТА ВЕРОЯТНОСТИ ОТКАЗОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ РАБОТЕ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ

2.1 Общие подходы к определению значений вероятности отказов, возникающих

в процессе эксплуатации конструкций и сооружений

2.2 Аналитическое определение значения вероятности отказа

«выброс пути»

2.3 Аналитическое определение значения вероятности отказа «сдвиг пути»

2.4 Определение допускаемых значений вероятности появления отказов «выброс» и «сдвиг» бесстыкового пути

Выводы по главе

ГЛАВА 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПО ОТКАЗАМ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ, ВОЗНИКАЮЩИМ ПРИ ЕГО ТЕМПЕРАТУРНОЙ РАБОТЕ

3.1 Определение норм устройства и текущего содержания бесстыкового пути,

влияющих на величину уровня отказов по причинам выброса и сдвига пути

3.2 Определение значений вероятности появления отказа «выброс пути» для

участков, соответствующих требованиям действующих норм устройства и эксплуатации

3.3 Определение возможных значений вероятности появления отказа «сдвиг пути» для участков, соответствующих требованиям действующих норм

устройства и эксплуатации

Выводы по главе

ГЛАВА 4 ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ

ЭКСПЛУАТАЦИИ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ

4.1 Контроль температуры закрепления рельсовых плетей бесстыкового пути

4.2 Определение допускаемых значений размеров балластной призмы, обеспечивающих безопасность движения по отказам, связанным с температурной работой бесстыкового пути

4.3 Определение допускаемых значений силового воздействия от подвижного

состава, обеспечивающих безопасность движения по отказам, связанным с температурной работой бесстыкового пути

4.4. Разработка методики обеспечения безопасности движения по причинам отказа выброса бесстыкового пути на основе результатов оценки состояния рельсошпальной решетки и температурного режима плетей

4.4.1 Определение величины изменения норматива устойчивости бесстыкового пути относительно его базового значения

4.4.2 Определение и оценка вероятности выброса бесстыкового пути. Планирование и экономическая оценка эффективности мероприятий, обеспечивающих устойчивость рельсошпальной решетки

4.4.3 Результаты опытной эксплуатации методики контроля и оценки устойчивости бесстыкового пути в плане при его текущем содержании

4.5. Экономическая оценка эффективности разработанных мероприятий

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Приложение А Значения вероятности появления температурного выброса

бесстыкового пути в зависимости от его конструкции и параметров неровности в плане

Приложение Б Значения вероятности сдвига рельсошпальной решетки в зависимости от ее конструкции, амплитуды неровности в плане и норм ее

устройства и текущего содержания

Приложение В Листинг программы, реализующей нейросетевую модель расчета значений коэффициента изменения устойчивости бесстыкового пути -коэффициента Кф

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Функциональная безопасность эксплуатации бесстыкового пути»

Актуальность работы

Основной задачей технического обслуживания объектов путевой инфраструктуры является поддержание необходимого уровня безопасности движения и показателей надежности и работоспособности элементов его составляющих, что требует затрат финансовых, материальных и иных ресурсов. В условиях ограниченности ресурсов принятие неверного решения может привести к ошибкам в планировании работ по ремонтам и текущему содержанию, а участки пути, которые по действующим правилам оценки требуют выполнения работ, могут иметь достаточно высокий уровень надежности. С другой стороны, малонадежные участки пути продолжают эксплуатироваться без выполнения на них каких-либо предупреждающих мероприятий. В результате таких ошибок увеличиваются перерасход ресурсов и вероятность возникновения отказов пути.

Бесстыковой путь является одной из наиболее прогрессивных конструкций верхнего строения пути. Эксплуатационные преимущества бесстыкового пути над звеньевым обеспечили стабильный рост полигона его укладки. На рисунке 1 показана динамика изменения полигона укладки бесстыкового пути на сети дорог за период 1992-2016 г.г. (данные на 01.01). Из рисунка 1 видно, что если в период 1992-2002 г.г. прирост полигона составил 14 тыс. км, то за аналогичный период 2003-2013 г.г. прирост полигона составил 44 тыс. км, а интенсивность расширения полигона увеличилась более чем в 3 раза. На текущий момент протяженность бесстыкового пути составляет 91 тыс. км или 72,9% от общей длины главных путей - этот факт свидетельствует о том, что сеть перешла на массовую эксплуатацию бесстыкового пути. В тоже время основные принципы, которые применяются при техническом обслуживании бесстыкового пути, в части диагностики его текущего состояния, были сформированы на основе более полуторавекового опыта эксплуатации звеньевой конструкции и как показал проведенный анализ, не в полной мере учитывают особенности бесстыкового пути, связанные с его температурной работой.

30 +-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,

1992 1993 1994 1995 1996199719981999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Годы

Рисунок 1 - Увеличение полигона укладки бесстыкового пути

в период 1992-2016 г.г.

В процессе эксплуатации, при изменении фактической температуры рельсовых плетей, помимо отказов, связанных с состоянием геометрии рельсовой колеи и элементов верхнего строения, изменяется вероятность появления специфических отказов, наиболее характерных для бесстыкового пути, таких как «выброс пути», «угол в плане», «сдвиг пути» - отказы, связанные с потерей устойчивости рельсошпальной решетки, а так же отказы, связанные с разрушением рельсов - «излом плети». Наиболее частыми являются отказы, связанные с потерей устойчивости пути. Средняя частота появления случаев потери устойчивости - 9,4 случаев в год (из них 2,4 случая привели к сходу), против 0,15 случаев в год, приведших к сходу подвижного состава при сквозных изломах рельсовых плетей. Как показывает практика эксплуатации, сходы подвижного состава, вызванные потерей устойчивости, сопровождаются значительным экономическим ущербом, а при наиболее неблагоприятных исходах - человеческими жертвами.

Обеспечение безопасности движения в части, зависящей от путевой инфраструктуры, в условиях ограниченности ресурсов для технического обслуживания требует выполнения двух основных условий:

1. Получение объективной информации о состоянии надежности и функциональной безопасности путевой инфраструктуры.

2. Создание системы поддержки принятия технически и экономически обоснованных решений по техническому обслуживанию путевой инфраструктуры, основанной на данных о состоянии ее надежности.

Выполнение вышеперечисленных условий и обеспечение должного уровня безопасности движения по отказам выброса и сдвига пути требует решения следующих, актуальных и не решенных в полном объеме на сегодняшний день, задач:

- разработка методик, позволяющих определять фактический уровень надежности бесстыкового пути по отказам выброса и сдвига пути, а также критериев оценки полученных результатов;

- разработка технически обоснованных мероприятий, направленных на снижение вероятности появления отказа до минимально установленного уровня.

- разработка системы поддержки принятия организационно-технических решений, обеспечивающих безопасность движения с учетом полученных значений вероятности появления отказов.

Цель работы

Обеспечение заданного уровня безопасности движения поездов в части, зависящей от температурной работы и условий эксплуатации бесстыкового пути на основе определения и анализа вероятностей появления связанных с ней отказов, а также комплекса организационно-технических мероприятий, направленных на обеспечение безопасности движения поездов за счет снижение вероятности появления таких отказов до минимально установленного уровня.

Методика исследования

Методика основана на использовании комплекса теоретических и экспериментальных исследований, среди которых:

- методы строительной механики, динамики сооружений и устойчивости конструкций;

- методы вероятностного расчета надежности строительных конструкций и сооружений;

- численные методы расчета конструкций верхнего строения железнодорожного пути;

- экспериментальные исследования потери устойчивости участка пути посредством создания критических продольных усилий в рельсовых плетях;

- методы статистической обработки результатов экспериментов и их корреляционного анализа;

- методы моделирования процессов потери устойчивости бесстыкового

пути.

Научная новизна

Научную новизну представляют:

- аналитические модели определения уровня вероятности появления отказов по причинам температурного выброса и сдвига рельсошпальной решетки бесстыкового пути, позволяющие определить величину риска появления этих отказов при различных значениях неровностей колеи в плане, состояниях элементов верхнего строения пути с учетом фактического температурного режима плетей и динамического воздействия от подвижного состава;

- критерии оценки уровней вероятностей появления отказов по причинам температурного выброса и сдвига рельсошпальной решетки бесстыкового пути, разработанные на основе методики допусков «разумного» риска и принципов «три сигма».

Практическая ценность диссертации:

1. Разработан метод расчета устойчивости бесстыкового пути от температурного выброса и сдвига, основанный на учете факторов риска.

2. На основе разработанных аналитических моделей расчета уровня вероятности появления отказов по причинам температурного выброса и сдвига рельсошпальной решетки бесстыкового пути и нейросетевой реализации модели расчета коэффициента изменения нормативной устойчивости бесстыкового пути определены:

- значения вероятностей появления температурного выброса бесстыкового пути для прямых и кривых участков пути при различных величинах допускаемых неровностей в плане;

- значения вероятностей появления температурного выброса бесстыкового пути для прямых и кривых участков пути при сочетании неровностей в плане и отступлений от норм устройства балластного слоя;

- значения вероятностей появления сдвига рельсошпальной решетки при различных величинах допускаемых неровностей в плане для прямых и кривых участков пути в зависимости от скорости движения подвижного состава и величины осевой нагрузки;

- значения вероятностей появления сдвига рельсошпальной решетки при сочетании неровностей в плане и отступлений от норм устройства балластного слоя для прямых и кривых участков пути в зависимости от скорости движения подвижного состава и величины осевой нагрузки.

3. На основе разработанных критериев оценки значений вероятностей появления отказов по причинам температурного выброса и сдвига рельсошпальной решетки бесстыкового пути определены:

- допускаемые значения неровностей в плане для прямых и кривых участков пути в зависимости от требований нормативного документа, по которому выполнено устройство участка бесстыкового пути;

- допускаемые значения отступлений балластной призмы для прямых и кривых участков пути в зависимости от требований нормативного документа, по которому выполнено устройство участка бесстыкового пути.

3. На основе аналитической модели расчета уровня вероятности появления отказа по причине температурного выброса и нейросетевой модели расчета коэффициента изменения нормативной устойчивости бесстыкового пути, разработана, реализована в виде программного комплекса «КАПС БП УРРАН» и внедрена в эксплуатацию на сети дорог методика контроля и оценки состояния бесстыкового пути на основе данных, получаемых по результатам проходов путеизмерительных средств, оборудованных подсистемами контроля устойчивости бесстыкового пути, включая систему поддержки принятия организационно-технических решений, обеспечивающих безопасность движения с учетом полученных значений вероятности появления отказов.

На защиту выносятся:

- аналитические модели определения уровня вероятности появления отказов по причинам температурного выброса и сдвига рельсошпальной решетки бесстыкового пути, позволяющие определить значение вероятности появления этих отказов при различных значениях неровностей колеи в плане, состояниях элементов верхнего строения пути с учетом фактического температурного режима плетей и динамического воздействия от подвижного состава;

- методика контроля и оценки состояния бесстыкового пути на основе данных, получаемых по результатам проходов путеизмерительных средств, оборудованных подсистемами контроля устойчивости бесстыкового пути;

- система поддержки принятия организационно-технических решений, обеспечивающих безопасность движения с учетом полученных значений вероятности появления отказов.

Реализация и апробация работы

Основные положения диссертации доложены и одобрены:

на третьей международной научно-практической конференции Безопасность регионов - основа устойчивого развития, проведенной Правительством Иркутской области совместно с Иркутским государственным университетом путей сообщения 10-12 апреля 2013 г.;

на IX научно-технической конференции с международным участием, проходившей в МИИТе 4 - 5 апреля 2012 г.;

на заседании секции «Путевое хозяйство» научно-технического совета ОАО «РЖД», протокол №26 от 21.07.2015 г.;

на расширенном заседании секции «Путь и путевое хозяйство» научно-технического совета АО «ВНИИЖТ», протокол № 8 от 21 декабря 2016 г.

Основные положения диссертации реализованы в виде:

«Методика контроля и оценки состояния бесстыкового пути на основе данных, получаемых по результатам проходов путеизмерительных средств, оборудованных подсистемами контроля устойчивости бесстыкового пути», утвержденная распоряжением ОАО «РЖД» 25 декабря 2014г №3120р .

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 21 печатной работе, из которых 10 опубликованы в изданиях, входящих в перечень рекомендуемых ВАК ведущих периодических изданий; 3 в изданиях, входящих в базу цитирования Scopus; 7 опубликованы в трудах конференций, в том числе с международным участием.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, списка литературы из 201 наименований и восьми приложений.

ГЛАВА 1 ПОКАЗАТЕЛИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

БЕССТЫКОВОГО ПУТИ

1.1 Анализ отказов потери устойчивости рельсошпальной решетки и определение наиболее значимых факторов, влияющих на их появление

Сейчас на сети эксплуатируется две основных конструкции пути: звеньевой путь протяженностью 33,8 тыс. км (27,1% от суммарной длины главных путей) и бесстыковой путь температурно-напряженного типа - 91 тыс. км (72,9%). Распределение полигона укладки бесстыкового пути по сети представлено на рисунке 1. 1.

Рисунок 1 .1 - Распределение полигона укладки бесстыкового пути по сети

дорог

В процессе эксплуатации бесстыкового пути при изменении фактической температуры рельсовых плетей помимо отказов, связанных с состоянием геометрии рельсовой колеи и элементов верхнего строения, что характерно как для звеньевой, так и бесстыковой конструкции пути, появляется вероятность возникновения специфических отказов, наиболее характерных для бесстыкового

пути, таких как «выброс пути», «угол в плане», «сдвиг пути», «излом плети». Появление этих отказов обусловлено тем, что в сварных плетях при изменении температуры рельса относительно температуры закрепления действуют продольные температурные силы растяжения или сжатия, а поперечная составляющая этих сил стремится изменить положение рельсошпальной решетки в плане [1], [2]. Если продольная сила сжимающая, а изменение положения в плане произошло без дополнительного воздействия от поезда и мгновенно, то это выброс пути (в случае если изменение происходило постепенно - это «угол в плане»). Если изменение положения в плане произошло при одновременном воздействии продольных температурных сил сжатия и сил от подвижного состава, то это сдвиг пути [3], [4].

Отказы по причине сквозного излома рельсовой плети происходят преимущественно при действии продольных температурных сил растяжения [5]. Все главные пути оборудованы нормально замкнутыми рельсовыми цепями, что обеспечивает самодиагностику плети о наличии изломанных мест и предотвращает катастрофические последствия наезда поезда на такое место. Данный факт подтверждается анализом статистики сходов подвижного состава, произошедшего по причине изломов рельсов. Из 28 случаев схода организованных поездов за период с 2003 по 2016 г.г. по причине изломов рельсов и по дефектам группы 7х.х (изломы по сплошному сечению рельса) в зимний период на плетях бесстыкового пути произошло всего 2 случая. Остальные изломы произошли по иным дефектам (преимущественно 21.2 и 53.1).

Выброс и сдвиг пути можно обнаружить только визуально и, как показывает практика эксплуатации, появление таких отказов часто сопровождается сходами и крушениями подвижного состава со значительным экономическим ущербом, а при наиболее неблагоприятных исходах -человеческими жертвами. По данным ОАО «РЖД», за период 2003-2016 г.г. на сети дорог произошел 31 сход подвижного состава, причиной которых явился выброс или сдвиг пути, из которых 5 крушений, в том числе 2 в пассажирских поездах, 1 авария пассажирского поезда, 12 сходов пассажирских поездов. Таким

образом, в год происходит в среднем 2-3 отказа по причинам, связанным с нарушением положения бесстыкового пути в плане, и поэтому необходим инструментарий, позволяющий оценить состояние безопасности движения, в т.ч. по значению вероятности появления отказов по причинам выброса и сдвига рельсошпальной решетки бесстыкового пути, как наиболее массовых из опасных отказов, связанных с температурной работой. Для более обоснованной разработки решений был выполнен многокритериальный анализ отказов за рассмотренный период. В таблице 1.1 представлен перечень этих отказов, с указанием вида и тяжести последствий, а также места происшествия. На рисунке 1.2 представлено распределение выбросов по годам с учетом типа подвижного состава.

2003 20М 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

■ сходы грузовых поездов ■ сходы пассажирских поездов

Рисунок 1.2 Распределение числа сходов по годам с учетом типа вагонов

Таблица 1.1 - Количество сходов подвижного состава, допущенных из-за выброса пути, на железных дорогах в период за 2003 - 2016 годы

Дороги Количество сходов подвижного состава по годам Всего

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

ОКТ 1/0/0/0 1/0/0/0*

КЛНГ 0/0/0/0

МОСК 1/1/0/1 1/1/0/1

ГОРЬК 2/1/0/1 2/1/0/1

СЕВ 0/0/0/0

С-КАВ 1/0/0/1 1/0/0/0 1/0/1/1 1/0/0/1 4/0/1/3

Ю-ВОСТ 1/0/0/0 1/0/0/0 2/0/0/0 4/0/0/0

ПРИВ 1/1/0/0 1/0/0/1 1/0/0/0 1/0/0/0 1/0/0/0 5/1/0/1

КБШ 2/0/0/1 1/1/0/0 1/0/0/0 4/1/0/1

СВЕРД 1/0/0/0 1/0/0/1 1/0/0/0 1/0/0/0 4/0/0/1

Ю-УР 1/0/0/1 1/0/0/0 2/0/0/1

З-СИБ 1/0/0/0 1/0/0/0

КРАСН 0/0/0/0

В-СИБ 0/0/0/0

ЗАБ 2/1/0/2 1/0/0/1 3/1/0/3

ДВОСТ 0/0/0/0

Итого: 2/1/0/0 4/0/0/3 1/0/0/0 1/0/0/0 5/1/0/2 2/1/0/2 2/0/0/0 4/0/0/1 1/1/0/0 2/0/0/0 3/0/1/2 3/1/0/2 1/0/0/0 0/0/0/0 31/5/1/12

* общее количество сходов подвижного состава на бесстыковом пути/ в том числе крушения/ в том числе аварии/ в том числе сходы пассажирских поездов.

На рисунке 1.3 представлена диаграмма распределения сходов по типу подвижного состава, на рисунке 1.4 представлено распределение сходов по дорогам сети.

19 (61,3%)

■ сходы грузовых поездов ■ сходы пассажирских поездов

Рисунок 1.3 - Диаграмма распределения сходов по типу подвижного состава

Рисунок 1.4 - Диаграмма распределения сходов по дорогам сети

Как видно из рисунков 1.2, 1.3, 1.4, количество сходов по годам различно и колеблется от 5 до 1, в 2016 г. сходов, отнесенных на выброс пути, не зарегистрировано. Преимущественно сходы из-за выбросов пути происходят с участием грузового подвижного состава, что объясняется его преобладанием на сети, кроме того максимальное число сходов по причине выброса происходит на дорогах, где бесстыковой путь является основной конструкцией. Дополнительно были проанализированы основные факторы, относящиеся к техническому состоянию и влияющие на устойчивость бесстыкового пути, такие как: изменение температуры рельсовой плети относительно температуры ее закрепления, план и профиль в месте выброса, балловая оценка участка. На рисунках 1.5-1.8 представлены гистограммы распределения количества выбросов пути в зависимости от показателей, характеризующих вышеперечисленные факторы.

Рисунок 1.5 - Распределение количества выбросов пути в зависимости от изменения температуры рельсовой плети относительно температуры ее

закрепления

500-650 650-1200 более 1200 и прямые

Радиус, м

■ % протяженности бесстыкового пути от протяженности главных путей

■ % сходов от общего числа сходов на бесстыковом пути

Рисунок 1.6 - Распределение количества выбросов пути в зависимости от характеристик плана линии на месте выброса

50.0

27.8

26.3

15.0

1 1

4 и менее 4,1-8 8,1-15

Уклоны, %о

■ % протяжения бесстыкового пути с соответствующими уклонами

■ % сходов от общего числа сходов на бесстыковом пути

Рисунок 1.7 - Распределение количества выбросов пути в зависимости от характеристик продольного профиля на месте выброса

10 20 30 40 100 150 500

Балльность

Рисунок 1.8 - Распределение количества выбросов пути в зависимости от балльности участка на месте выброса

Приведенные выше результаты показывают, что наибольшее число выбросов происходит при повышении температуры рельсовой плети относительно температуры закрепления на 15°С и более, а коэффициент корреляции между величиной изменения температуры рельса относительно температуры закрепления и числом выбросов составляет 0,85, что характеризует зависимость, близкую к линейной.

План линии оказывает влияние на количество случаев пропорционально кривизне участка, при большей кривизне число случаев больше, чем на участках с меньшей кривизной, что подтверждается значением коэффициента корреляции на уровне 0,88. Наибольшее число случаев наблюдается на участках с кривыми радиусами 1200 м и менее, на прямых участках и кривых радиусами более 1200 м произошло менее половины всех случаев, не смотря на преобладание таких участков в общем полигоне укладки плетей.

Анализ влияния уклонов продольного профиля показал, что число случаев выброса на участках с различными уклонами профиля прямо пропорционально протяжению этих участков, а влияние этого параметра на устойчивость линейно, за исключением участков с уклонами свыше 8%о. Количество случаев выброса на таких участках составляет 28% при их общей протяженности менее 15% от общего полигона, что позволяет сделать вывод о возрастании влияния на устойчивость бесстыкового пути уклона продольного профиля при его значении более 8%о, а, следовательно, и режима ведения поезда (дополнительная тяга, регулировочные торможения).

Анализ балловой оценки показывает практически полное отсутствие зависимости между этим показателем и числом выбросов с коэффициентом корреляции 0,22.

Дополнительно были проанализированы события потери устойчивости, которые не привели к сходу подвижного состава, и были зафиксированы как углы в плане.

На рисунке 1.9 показано распределение появления события - угол в плане по годам.

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Рисунок 1.9 Распределение появления события - угол в плане по годам

За период с 2003 по 2016 г.г. общее число таких событий на сети составило 91 шт. Большая часть этих неисправностей (85%) были выявлены в результате проходов путеизмерительных средств, остальная часть была зафиксирована в виде бокового толчка в пути при проследовании такого места поездом. Во всех случаях появление такой неисправности не привело к сходам подвижного состава.

Таким образом, на основе вышеприведенных результатов анализа, следует, что в период с 2003 по 2016 г.г. зафиксировано 122 случая потери устойчивости пути с частотой событий 9,4 шт./год, а наиболее значимыми факторами с точки зрения обеспечения устойчивости являются: изменение фактического значения температуры рельсовой плети относительно температуры закрепления и радиус кривизны участка, кроме того, дополнительное влияние оказывают уклоны со значением свыше 8%о, в то же время балловая оценка состояния пути не характеризует реальное состояние пути с точки зрения обеспечения его устойчивости от выброса и сдвига.

1.2 Определение показателей, характеризующих безопасность движения, для отказов, возникающих при температурной работе

бесстыкового пути

В соответствии с положениями, изложенными в [6], безопасность движения (эксплуатации) железнодорожного транспорта - это защищенность процесса движения (эксплуатации) железнодорожного подвижного состава и состояние самого железнодорожного подвижного состава, при котором отсутствует недопустимый риск возникновения транспортных происшествий и их последствий, влекущих за собой причинение вреда жизни или здоровью граждан, окружающей среде, имуществу физических или юридических лиц. Таким образом, сущность обеспечения безопасности движения состоит в поддержании такого состояния технических средств железнодорожного транспорта, которое гарантирует отсутствие недопустимого уровня риска по отказам, появление которых может привести к причинению этого вреда. В свою очередь, отказ это

событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния железнодорожной техники, подвижного состава, инфраструктуры.

При эксплуатации железнодорожного пути различают частичный и полный отказы [7]. Частичный отказ железнодорожного пути - отказ, в результате которого требуется ограничение скорости движения поездов по железнодорожному пути. Полный отказ железнодорожного пути - отказ, в результате которого требуется прекращение движения поездов до восстановления работоспособного состояния железнодорожного пути. Основная задача технического обслуживания железнодорожного пути - предотвращение и ликвидация отказов, возникающих в ходе его эксплуатации. К отказам объектов путевого хозяйства относят [8]: отказы в работе рельсовых цепей; отказы из-за климатических явлений (осадков); наличие остродефектных рельсов; изломов рельса; разрывов или растянутых стыков; изменение геометрических размеров рельсовой колеи в профиле, плане, по уровню и ширине более допустимых; поломку путевых машин, механизмов или специализированного самоходного подвижного состава; попадание посторонних предметов на железнодорожный путь; прочие отказы. Наиболее нежелательно появление полных отказов, приводящих к остановке движения, такие отказы, согласно действующей классификации, являются опасными [9].

Состояние безопасности движения в части, зависящей от появления опасных отказов пути, определяется значениями следующих основных показателей функциональной безопасности [8]:

- вероятность появления опасного отказа QОп;

- вероятность безопасной работы РБ =

Вышеуказанные показатели и их значения являются числовой оценкой уровня безопасности движения пути. Таким образом, для обеспечения необходимого уровня безопасности движения по опасным отказам, связанным с обеспечением устойчивости рельсошпальной решетки бесстыкового пути, в практике его эксплуатации необходимо решение следующих задач:

- определение вероятности появления выброса и сдвига в конкретном сечении железнодорожного пути;

- оценка полученных значений вероятности выброса и сдвига с точки зрения безопасности движения;

- разработка технически и экономически обоснованных мероприятий, направленных на снижение вероятности появления отказа до минимально установленного уровня.

Выводы по главе 1

1. Полигон укладки бесстыкового пути температурно-напряженного типа в настоящее время составляет 91 тыс. км или 72,9% от суммарной длины главных путей, что говорит о переходе сети на эксплуатацию этой конструкции. В процессе эксплуатации этой конструкции возможно появление опасных отказов, наиболее характерных именно для бесстыкового пути - «выброс пути», «сдвиг пути», «сквозной излом рельсовых плетей».

2. Наиболее часто появляющимися отказами являются отказы, связанные с потерей устойчивости пути. Средняя частота появления случаев потери устойчивости - 9,4 случаев в год (из них 2,4 случая привели к сходу), против 0,15 случаев в год, приведших к сходу подвижного состава при сквозных изломах рельсовых плетей.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Суслов Олег Александрович, 2017 год

' - хш2

и и и и и и

ХШ

Рисунок 2.8 - Расчетная схема для определения значений Муд и Мсдв каждой шпалы с учетом совместности их работы

¡

ме

Условные обозначения: п - номер расчетной шпалы (п = 0... N-1);

N- число расчетных шпал, N = 7[(1е1 /2 + 1Т1 + 1МВ + 1Т2 + 1е2 /2) /1] +1;

I - расстояние между шпалами, м;

хшп - абсцисса расчетной шпалы, хшп = п 1ш, м;

хог - абсцисса расчетной оси (г = 1...¿), м;

у - число расчетных осей, шт.;

XI - расчетная абсцисса линии влияния от ьой оси для п-ой расчетной шпалы,

/

Т1,2 '

х1 I хшп хог / м;

база тележки 1 и 2 вагона, м;

/в1,2 - длина межтележечного пространства 1 и 2 вагона, м; /мв - длина межвагонного пространства, м.

Значения Л/уд, Л/сдв, Л/уд, Л/сдв в пределах каждого участка определяются

следующими выражениями [70], [71]:

/П + к

№

уд

ЛДуД |/(Л —п)^;

Л/,

сдв

\ п

(п+к \

^уд =

N

■п+к

п

N =

сдв

N

гп+к

I- п

— п) • /;

(2.32)

(2.33)

(2.34)

(2.35)

где Л/уд и /^Сдв

уд и сдв

и

к

средние значения горизонтальных удерживающих и сдвигающих сил, действующих на и-ую шпалу; среднеквадратические отклонения значений

горизонтальных удерживающих и сдвигающих сил, действующих на и-ую шпалу;

номер первой шпалы, входящей в рассматриваемый участок;

номер последней шпалы, входящей в рассматриваемый участок.

Анализ формул (2.24) - (2.28), определяющих величины удерживающих и сдвигающих горизонтальных сил, действующих на шпалу, показывает, что наиболее значимой частью, формирующей их значения, являются значения РШ12 и ЯШ12 - значения вертикальных и горизонтальных сил, передающихся от рельса на шпалы. Поэтому для определения средних значений и СКО удерживающих и сдвигающих горизонтальных сил необходимо определить статистические параметры сил, передающихся от рельса на шпалы в функции значений сил, действующих от колеса на рельс. Решение этой задачи наиболее оптимально можно выполнить с использованием действующих правил расчетов пути [56], [4], с учетом положений которых можно записать следующие выражения:

У

= (2.36)

¿=1 У

^^¿^•^•^п; (2.37)

¿=1 У

= ^ 4,2 • • (2.38)

¿=1 У

^^¿^•^•^п; (2.39)

¿=1

^Вп = е-Хгкв • [^(х; • £в) + ^(х; • £в)]; (2.40)

^Гп = е-х' кг • [^(х; • &г) + ^(х; • &г)], (2.41)

- среднее значение вертикальной нагрузки, передаваемой от рельса на п-ую расчетную шпалу;

- среднее значение горизонтальной нагрузки, передаваемой от рельса на п-ую расчетную шпалу;

где ^

ЯП

I»

ш1,2

рп

ГШ1,2

цп

Рг

1,2

б* Г1,2

1,2

^вп

^гп

среднеквадратическое отклонение вертикальной нагрузки, передаваемой от рельса на и-ую расчетную шпалу; среднеквадратическое отклонение горизонтальной нагрузки, передаваемой от рельса на и-ую расчетную шпалу; среднее значение вертикальной силы, передаваемой от /-го колеса на рельс;

среднее значение боковой силы, передаваемой от /-го колеса на рельс;

среднеквадратическое отклонение значения вертикальной силы, передаваемой от /-го колеса на рельс;

среднеквадратическое отклонение значения боковой силы, передаваемой от /-го колеса на рельс;

значение эпюры линии влияния от /-ой вертикальной силы для и-ой расчетной шпалы;

значение эпюры линии влияния от /-ой боковой силы для и-ой расчетной шпалы.

В окончательном виде выражения для определения статистических показателей удерживающих и сдвигающих горизонтальных сил можно записать в следующем виде:

(2.42)

(2.43)

^ = «1+/^) • /ш + Со ;

= (рп + рп) • г •

уд ш1 ш2 ш;

^сдв = + //Ш2 + 2 • а • Е • Р • (£р — £3) • - • ^угл + 2 • г • £ • -; (2.44)

(2.45)

Таким образом, на основе выражений (2.36) - (2.45), можно определить вероятность сдвига рельсошпальной решетки бесстыкового пути реального очертания при воздействии на нее температурных сжимающих и поездных нагрузок. При расчетах в виде исходных данных учтены следующие параметры:

1

I

- динамическое воздействие на рельсошпальную решетку в виде вертикальных и боковых сил, действующих от колеса на рельс, и их среднеквадратических отклонений для группы вагонов;

- воздействие на рельсовые плети температурных сжимающих сил в виде изменения температуры плетей относительно температуры их закрепления;

- тип и конструкция верхнего строения пути в виде относительной жесткости подрельсового основания в вертикальной и горизонтальной плоскостях, соответствующей типу скреплений, роду балласта, типу и эпюре шпал;

- тип рельса в виде физико-геометрических свойств;

- кривизна участка и наличие неровностей в плане в виде значений радиуса кривой, длины и амплитуды неровности;

- состояние и род балласта в виде значений сил сопротивления шпалы в балласте.

2.4 Определение допускаемых значений вероятности появления отказов «выброс» и «сдвиг» бесстыкового пути

Существующие методы оценки уровня риска и соответствующих ему значений вероятности отказов можно разделить на два класса: количественные и качественные. Качественные методы позволяют определить причины, вызвавшие появление опасности, количественные же определяют вероятность опасного события. В таблице 2.1 приведены результаты сравнительного анализа допустимых значений вероятности отказа потенциально опасных технических объектов [72], [73], [74], [75].

Таблица 2.1 - Результаты сравнительного анализа допустимых значений вероятности отказа потенциально опасных технических объектов

Нормативный документ Последствия

Очень тяжелые (катастрофические) Тяжелые (критические) Некритические Пренебрежимо малые

ISO 2394 BS 7910 Eurocode 3 <10-6 <10-5 - -

РД 03-418-01 ГОСТ Р 51901-2002 <10-6 10-4 - 10-6 10-2 - 10-4 1 - 10-2

ГОСТ 27.310-95 <5х10-5 5х10-4 - 5х10-5 10-1 - 5х10-3 1 - 10-1

ГОСТ 12.1.004-91 * ГОСТ 12.1.010-76 ГОСТ Р 12.3.047-98 <10-6 - - -

ПБ 12-609-03 <10-6 - - -

Катастрофический - отказ, приводящий к смерти людей, существенному ущербу имуществу, наносящий невосполнимый ущерб окружающей среде. Критический - отказ, угрожающий жизни людей, приводящий к существенному ущербу имуществу, окружающей среде. Некритический отказ не угрожает жизни людей, не приводит к существенному ущербу имуществу, окружающей среде. Отказ с пренебрежимо малыми последствиями - отказ, не относящийся по своим последствиям ни к одной из первых трех категорий.

В ряде случаев, особенно за рубежом [76], [77], вместо допустимых значений вероятности используется индекс надежности, который является другой математической формулировкой вероятности отказа:

Шп — Ш/

Р = А-г (2.46)

где т, а, и т, а, - математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение

параметра прочности и нагруженности, соответственно. Связь между индексом (уровнем) надежности и вероятностью отказа показана на рисунке 2.9 [44].

Рисунок 2.9 - Уровни надежности, заданные в зарубежных стандартах для

различных видов конструкций

Таким образом, в соответствии с отечественными и зарубежными стандартами, в зависимости от тяжести последствий, выброс пути и сдвиг рельсошпальной решетки можно отнести к критическим или некритическим отказам, граница допускаемого значения вероятности отказа может колебаться от 0,1 до 10-6, или от 10% до 0,0001%. Столь значительный разброс допускаемых значений не позволяет в полной мере выполнить оценку и поэтому требуется уточнение этих границ.

В современной практике оценки уровня риска наиболее часто применяется, в том числе и в рамках методологии системы оценки и управления рисками, применяемой на железнодорожном транспорте [78], [79], [80], [81] (методология «УРРАН»), т.н. принцип оценки по приемлемому риску - принцип "ALARP" «As Low as Reasonable Practible» (низкий, насколько это возможно). Согласно этому подходу принцип ALARP рекомендует снижать риск до уровня "практической целесообразности" или до уровня, который является "настолько низким, насколько он практически целесообразен" (ALARP) [82], [83], [84], [85], [86]. Таким образом, если риск попадает в зону, ограниченную областью

неприемлемых уровней риска с одной стороны и областью незначительных уровней - с другой, то применение принципа ALARP приводит к тому, что результирующий риск оказывается приемлемым в конкретной ситуации. Согласно этому подходу риск может попасть в одну из трех областей: в недопустимую, приемлемую и вполне приемлемую (рисунок 2.10).

Риск, превышающий некоторый установленный уровень, считается недопустимым. Такой риск не может быть признан оправданным при любых нормальных обстоятельствах. Если такой риск существует, то он либо должен быть снижен настолько, чтобы попасть в область приемлемого или вполне приемлемого риска, либо должен быть устранен источник опасности. Риск ниже этого уровня считается приемлемым при условии, что он был уменьшен до уровня, при котором выгода от дальнейшего его снижения не оправдана ввиду требующихся для этого больших затрат и при условии, что для управления этим риском применены все соответствующие общепринятые стандарты. Чем выше риск, тем обычно больше расходы по его сокращению. Риск, сниженный таким образом, можно рассматривать как "сниженный до практически целесообразного уровня" (ALARP).

§ 5

а и " ^

Я « а «

а В В °

I в

Я ю

н о

8 8 Рч

Область недопустимого риска

Область приемлемого риска

Область вполне приемлемого риска

Риск не может быть оправдан, кроме как в исключительных обстоятельствах

Риск приемлем, только если: а) дальнейшее его снижение недостижимо или требует непропорциональных затрат и б) общество предпочитает иметь пользу от деятельности при соответствующем риске

Уровень остаточного риска считается незначительным. Меры по его дальнейшему снижению не требуются. Нет необходимости детализировать работу для демонстрации АЪАКР

Несущественный риск

Рисунок 2.10 - Приемлемый риск и принцип «ALARP»

В области, расположенной ниже области допустимых значений, уровни риска считаются настолько несущественными, что контролирующий орган не требует дальнейших улучшений. Для применения принципа ALARP необходимо предварительно определить границы трех областей, показанных на рисунке 2.10, значения которых выражены вероятностью возникновения события и его последствиями. Такое определение обычно бывает результатом обсуждения и соглашения между заинтересованными сторонами (например, между регулирующими органами в области безопасности, теми, действия которых приводят к появлению риска, и теми, кто этому риску подвергается).

В принятой практике строительных расчетов и на основании имеющегося опыта применения вероятностных методов расчетов безопасности строительных конструкций, для сооружений первого уровня ответственности, которыми являются в том числе и сооружения ж.д. транспорта, значения вероятности отказа, соответсвующего границе несущественного риска используют так называемый подход три «сигма», в соответствии с которым уровень вероятности события, которым можно пренебречь, находится в точке кривой плотности распределения вероятности, отстоящей от точки математического ожидания на расстоянии трех значений среднеквадратических отклонений (трех «сигм»). На рисунке 2.11 показано применение этого подхода для нормального закона распределения, при котором эта точка соответствует вероятности отказа 0,3%, что соответствует границе

несущественного риска

Рисунок 2.11 - Кривая плотности вероятности нормального распределения

При проектных расчетах конструкций основным сочетанием нагрузки является значение в 2,5 «сигма», что соответствует вероятности отказа 1,7% и определяет границу уровня вполне приемлемого риска. В качестве допускаемого значения вероятности отказа, соответствующего границе приемлемого риска, для отказов, связанных с нарушением положения рельсошпальной решетки бесстыкового пути, на основании исследований [10], [87], [88] рекомендуется принять границу в 2 «сигма», соответствующую уровню вероятности его появления 5%. С учетом вышесказанного, в рамках использования принципов «АЬАЕР», при оценке полученных значений вероятностей отказов, связанных с температурной работой бесстыкового пути, можно принять следующие критерии:

- менее 0,3% - вероятность отказа, соответствующая зоне несущественного риска;

- 0,3 - < 1,7% - вероятность отказа, соответствующая зоне вполне приемлемого риска (зеленая зона);

- 1,7% - < 5% - вероятность отказа, соответствующая зоне приемлемого риска (желтая зона);

- 5% и более - вероятность отказа, соответствующая зоне неприемлемого риска (красная зона).

Выводы по главе 2

1. На основе анализа вероятностных методов расчета строительных конструкций на безопасность, выведены основные расчетные формулы, позволяющие определить вероятность наступления события, при возникновении которого происходит полный отказ работоспособности конструкции, что характерно появлению температурного выброса или сдвига рельсошпальной решетки.

2. Разработана аналитическая модель, позволяющая определять вероятности выброса участков бесстыкового пути с учетом основных влияющих факторов, таких как:

- конструкция верхнего строения пути;

- температура закрепления плети и фактическая температура рельса;

- радиус кривизны в месте укладки;

- наличие отступлений от норм устройства пути в части наличия неровностей геометрии рельсовой колеи;

- наличие отступлений от норм устройства пути в части наличия неисправностей элементов верхнего строения пути и балластного слоя.

3. Разработана аналитическая модель, позволяющая определять вероятность сдвига рельсошпальной решетки бесстыкового пути, с учетом следующих факторов:

- тип подвижного состава и режим его движения;

- конструкция верхнего строения пути;

- температура закрепления плети и фактическая температура рельса;

- радиус кривизны в месте укладки;

- наличие отступлений от норм устройства пути в части наличия неровностей геометрии рельсовой колеи в плане;

- наличие отступлений от норм устройства пути в части наличия неисправностей элементов верхнего строения пути и балластного слоя.

4. С учетом использования принципов «ALARP» были определены допускаемые значения вероятности для отказов «выброс» и «сдвиг» бесстыкового пути:

- менее 0,3% - вероятность отказа, соответствующая зоне несущественного риска;

- 0,3 - < 1,7% - вероятность отказа, соответствующая зоне вполне приемлемого риска (зеленая зона);

- 1,7% - < 5% - вероятность отказа, соответствующая зоне приемлемого риска (желтая зона);

- 5% и более - вероятность отказа, соответствующая зоне неприемлемого риска (красная зона).

ГЛАВА 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПО ОТКАЗАМ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ, ВОЗНИКАЮЩИМ ПРИ ЕГО

ТЕМПЕРАТУРНОЙ РАБОТЕ

3.1 Определение норм устройства и текущего содержания бесстыкового пути, влияющих на величину уровня отказов по причинам выброса и сдвига пути

К основным нормам устройства бесстыкового пути в части, влияющей на значение вероятности появления отказов по причинам выброса и сдвига, относятся [89], [90], [91], [64], [92]:

- конструкция верхнего строения пути (тип рельсов, шпал, промежуточных скреплений, род балласта);

- размеры балластной призмы (ширина плеча, высота засыпки шпальных ящиков);

- температура закрепления рельсовых плетей (нейтральная температура).

Вышеперечисленные параметры определяют важнейшие показатели,

обеспечивающие устойчивость от выброса и сдвига - значение допускаемого нагрева рельсовых плетей относительно температуры их закрепления и значение допускаемого горизонтального воздействия на рельсошпальную решетку от подвижного состава. В части требований к текущему содержанию, влияющих на устойчивость можно выделить следующие [93], [87], [94], [95], [96], [97]:

- значение температуры закрепления плети не должно выходить за допускаемый интервал температур;

- состояние элементов верхнего строения пути, также как и неровности геометрии рельсовой колеи в плане, соответствуют требованиям нормативных документов.

Внедрение бесстыкового пути температурно-напряженного типа началось с середины ХХ века [98] и с тех пор нормативная база по устройству бесстыкового пути постоянно совершенствуется. До настоящего момента разработано и утверждено 5 редакций нормативных документов, регламентирующих работу

бесстыкового пути температурно-напряженного типа [99], [100], [101], [20], [21]. В рамках этих документов обеспечивалась преемственность норм устойчивости [Дг:у], а также подходов к контролю значения температуры закрепления. В таблице 3.1 приведены значения оптимальной температуры закрепления, установленные в различных нормативных документах.

Таблица 3.1 - Оптимальные температуры закрепления плетей на железных дорогах России, установленные нормативными документами

Железная дорога Оптимальная температура закрепления плетей ^пт, °С, установленная нормативными документами

ТУ-2000 ТУ-2012 ТУ-2016

Октябрьская 30±5 35±5 30±5

Калининградская 30±5 35±5 30±5

Московская 30±5 35±5 30±5

Горьковская 25±5 35±5 30±5

Северная 25±5 35±5 30±5

Северо-Кавказская 35±5 40±5 35±5

Юго-Восточная 35±5 40±5 35±5

Приволжская 35±5 40±5 35±5

Куйбышевская 30±5 35±5 30±5

Свердловская 25±5 35±5 30±5

Южно-Уральская 30±5 35±5 30±5

Западно-Сибирская 30±5 35±5 30±5

Красноярская 25±5 30±5 30±5

Восточно-Сибирская 25±5 35±5 30±5

Забайкальская 25±5 35±5 30±5

Дальневосточная 30±5 35±5 30±5

Данные таблицы показывают, что значительных изменений в значения оптимальной температуры закрепления внесено не было, также не претерпели изменений и требования к конструкции верхнего строения пути при укладке плетей бесстыкового пути. Таким образом, можно сказать, что температурный

режим плетей, как и нормативы устойчивости в период с 2000 г. по настоящее время, не изменились, в то же время из-за расширения полигона укладки бесстыковых плетей на линии всех классов значительно изменились условия эксплуатации в части требований к текущему состоянию пути. Из всех параметров текущего состояния пути наибольшее влияние на устойчивость оказывают значения неровностей в плане [102], [103], [104], [105], [106], которые являются местами концентрации температурных сил в плетях, а также увеличивают значения динамических горизонтальных сил, передающихся от подвижного состава на путь [107], [108], [109], [110], [47], [111]. В таблице 3.2 приведены требования к отступлениям пути в плане для эксплуатируемых железнодорожных линий в зависимости от установленной скорости движения.

Таблица 3.2 - Допускаемые величины отступлений в плане на участках железнодорожных линий с различной установленной скоростью движения

Установленная скорость, км/ч Разность стрел изгиба, мм, при длине неровности, м

до 10 от 10 до 20 включительно более 20 до 40 включительно

141-200 более 25 более 25

121-140 более 25 более 35

61-120 более 35 более 40

41-60 более 35 более 40 более 50

16-40 более 40 более 50 более 65

Закрытие движения более 45 более 65 более 90

Анализ данных таблицы показывает, что неровности нормированы для длин в диапазоне до 10 м, от 10 до 20 м и более 20 до 40 м, при этом у неровностей большей длины допускаемая разность стрел выше. Таким образом, учитывая, что бесстыковой путь может быть уложен на линиях любой классности и специализации, в процессе эксплуатации на нем могут быть допущены без закрытия движения неровности в плане с разностью стрел: до 45 мм в диапазоне длин неровностей до 10 м; до 65 мм в диапазоне от 10 до 20 м; до 90 мм в

диапазоне более 20 до 40 м. Проведенные ранее исследования показывают, что наиболее опасны неровности, близкие по своей длине к критическим значениям [112], [113], [114], [115], т.к. именно такие неровности дают максимальное понижение допускаемой критической силы. Критическая длина неровностей для современных конструкций пути находится в пределах 7-9 м, т.е. длины, попадающей в диапазон менее 10 м, кроме того неровности таких длин вызывают максимальное увеличение горизонтального динамического воздействия от подвижного состава [116], [117], [118], [45]. Таким образом, для оценки возможных значений вероятности выброса и сдвига необходимо выполнить расчет и анализ этих значений при различном сочетании отступлений от норм устройства и эксплуатации бесстыкового пути, таких как:

- неровности в плане;

- размеры плеча балластной призмы, заполнение шпальных ящиков;

- состояние промежуточных рельсовых скреплений.

3.2 Определение значений вероятности появления отказа «выброс пути» для участков, соответствующих требованиям действующих норм устройства и

эксплуатации

Как было показано в главе 2, для определения значения вероятности появления отказа выброс пути необходимы следующие исходные данные:

[Дг:у] - значение допускаемого повышения температуры рельсовой плети относительно температуры ее закрепления;

[Дг:у] - среднеквадратическое отклонение допускаемого повышения температуры рельсовой плети относительно температуры ее закрепления;

- коэффициент изменения норматива устойчивости рельсошпальной решетки бесстыкового пути, зависящий от величины изменения значения /-го фактора относительно его нормативного значения;

¡р - фактическая или ожидаемая температура рельсовой плети в рассматриваемом сечении;

¡з - фактическая температура закрепления (нейтральная температура) в рассматриваемом сечении;

ку — коэффициент запаса поперечной устойчивости бесстыкового пути, заложенный в нормативную базу.

Методы определения вышеуказанных значений можно разделить на три основные группы - это экспериментальные методы, аналитические и комбинированные.

Сущность экспериментальных методов состоит в том, что искомые значения определяются на основе анализа результатов натурных экспериментов по нагреву рельсовых плетей, уложенных и закрепленных на рельсошпальной решетке. Такие эксперименты выполнялись в ряде стран мира - Россия (СССР), Германия, Венгрия, США, Япония и др., начиная с 1920 г. [2], [35], [91], [107], [119], [120]. Получили широкую известность по экспериментальному исследованию устойчивости пути работы следующих российских ученых Е.М. Бромберга [121], [122], [123], Н.П. Виногорова [120], [124], Н.Б. Зверева [125], [126], [127], [128], [129], [130], а также зарубежных ученых И.Надь [58], [89], А. ЮбИ [64], [87], [131], [132]. Все эксперименты выполнялись по аналогичным методикам - различные конструкции пути укладывались на подшпальное основание, в рельсовых плетях с помощью искусственного нагрева создавались продольные усилия. В процессе нагрева фиксировалась температура рельсовой плети и деформированное состояние рельсошпальной решетки (вертикальные, поперечные и продольные перемещения рельсов и шпал). Эксперименты выполнялись для кривых различного радиуса, при различном состоянии пути, с поездной нагрузкой и без нее. Результатом этих экспериментов являлись значения критической продольной силы и соответствующие им температуры нагрева рельсовых плетей. Основное преимущество такого метода -это получение значений, которые уже частично проверены натурными

исследованиями, и поэтому возможно их внедрение в эксплуатацию с минимально возможным риском нарушения безопасности движения. Основной недостаток этого метода - высокая ресурсоемкость выполнения экспериментальных работ, совмещенная со значительной их длительностью, т.к. количество сочетаний, необходимых для проведения экспериментальных исследований, велико. Действующая в настоящий момент нормативная база по устойчивости пути более чем на 95% сформирована на основе результатов таких экспериментов, выполненных во ВНИИЖТе в период с 1960 г. по 2009 г. под руководством Е.М. Бромберга и Н.П. Виногорова, а также в период 2011-2012 г.г. под руководством автора.

С учетом длительности и дороговизны экспериментальных исследований нормирования устойчивости, для ускорения процесса нормирования одновременно с экспериментами были разработаны аналитические методы, позволяющие получать значения критических продольных сжимающих сил на основе применения математических вычислений. За годы исследований были созданы разные методы расчета величин продольных критических сил в рельсах: энергетический, дифференциальных уравнений, конечных элементов и др. Значительный вклад в решение этих вопросов внесли российские ученые: В.Г. Альбрехт [16], [133], М.С. Боченков [134], [135], М.Ф. Вериго [136], [137], [138], В.А. Грищенко [139], [140], В.В. Ершов [96], [141], [142], Э.П. Исаенко [143], [144], Н.И. Карпущенко [145], С.И. Клинов [146] А.Я. Коган [19], [147], [148], А.А. Кривобородов [15], З.С. Крейнис [149], [150], А.В. Лебедев [151], К.Н. Мищенко [152], [153], С.И. Морозов [154], В.И. Новакович [67], [155], [156], Д.В. Овчинников [157], С.П. Першин [158], [159], В.А. Покацкий [103], [160] и другие, а также зарубежные ученые: О. Амман [93], Д. Игнятич [161], [162], Г. Майер [163], Нгуен Ван Туен [164], И. Немешди [165], [166], Э.Немчек [167] М. Нумата [168], [169], Р. Леви [170] и другие. Далее представлен краткий анализ наиболее известных аналитических моделей определения критических температур бесстыкового пути.

Энергетические - основное преимущество это предельная простота алгебраических решений и возможность быстрого получения критических параметров для бесстыкового пути, а основной недостаток - полная зависимость точности решения от принятых форм изгиба пути. Данный подход позволяет вычислять предельные значения силовых (критическая продольная сила) и геометрических (длина волны и стрела изгиба) параметров искривлений без возможности получения промежуточных данных процесса деформирования.

Дифференциальных уравнений - основное преимущество, по сравнению с энергетическим, это независимость точности решения от формы принятого искривления, т.к. форма искривления пути получается в результате расчета, а не задается в начальных условиях. Точность решения данного метода определяется только точностью решения системы уравнений и точностью исходных данных. В зависимости от применяемой расчетной схемы можно получить различные расчетные параметры. К недостаткам метода дифференциальных уравнений можно отнести высокую степень сложности расчета и невозможность получения промежуточных расчетных параметров искривления.

Интегро-дифференциальных уравнений - в основу метода положены классические дифференциальные уравнения упругой оси балки, подверженной действию продольных сжимающих сил, однако полученные автором решения этого уравнения позволили в явном виде получить взаимосвязь между неровностью пути, значениями сил сопротивления поперечным перемещениям и критической продольной силой. К преимуществам метода можно отнести простоту вычислений, к недостаткам - невозможность получения промежуточных расчетных параметров искривления.

Имитационного моделирования - основное преимущество это переход от уравнений статики к уравнениям динамики и, как следствие, возможность вычисления промежуточных значений параметров деформации пути. К недостаткам метода можно отнести необходимость применения индивидуальной программы (ИМ-1, ИМ-2) для производства расчетов, к преимуществам - высокое приближение расчетной схемы к реально происходящим процессам и, как

следствие, высокая точность расчета, а также возможность прослеживания всего процесса деформирования пути, а не только его конечных или критических параметров.

Конечно-элементные модели - основное преимущество это широкий круг решаемых задач, большая наглядность модели и результатов моделирования (возможность просмотра процесса в режиме реального времени), большое количество существующих пакетов для конечно-элементного моделирования (ANSYS, Cosmos, Nastran и др.), общепризнанное лидерство в мире как стандартного метода расчета конструкций и их элементов. С помощью конечно-элементной модели можно получать силовую характеристику взаимодействия шпалы и балласта при поперечном и продольном сдвиге, изгибающий момент в плетях, угол поворота сечения в скреплении рельса. Возможно задание различных неровностей пути как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, возможно задание неравномерности распределения по длине сил сопротивления деформациям рельсошпальной решетки, возможно задание неравномерного нагрева плетей по длине и во времени. Разнообразие видов нагрузок делает возможным осуществлять расчеты устойчивости бесстыкового пути при их различном сочетании (например: продольная температурная сила в плети и одновременное воздействие от рабочих органов выправочно-подбивочных и рихтовочных машин), также возможен расчет устойчивости конструкции в период стабилизации балластного слоя.

Выполнение экспериментальных исследований для всех возможных сочетаний состояний и конструкций бесстыкового пути с целью определения расчетных параметров, необходимых для определения вероятности отказа по причине выброса пути, очень длительный и трудоемкий процесс, в то же время применение лишь данных математического моделирования несет в себе риск применения ошибочных результатов. Для получения наиболее достоверных результатов с минимально возможными затратами и сроками был разработан комбинированный метод, основанный на сочетании надежности экспериментального подхода и преимуществ аналитических вычислений. Основная идея данного метода состоит в том, что значения критических

сжимающих сил, получаемых экспериментальным путем, определяются не для всего объема возможных сочетаний конструкций и состояний пути, а лишь в объеме, необходимом для верификации аналитических моделей. После выполнения верификационных проверок результатов моделирования, значения критических продольных сжимающих сил определяются по результатам моделирующих расчетов [32]. Такой подход позволяет существенно сократить время и стоимость разработки нормативов без потери надежности результатов.

В действующих нормативных документах по устройству и эксплуатации бесстыкового пути часть значений [А£у] для кривых малого радиуса получена на основе применения комбинированного метода. В таблице 3.3 представлены значения [А£у], соответствующие нормативным документам и применяемые сейчас при расчете укладки бесстыковых плетей.

Таблица 3.3 - Нормативные значения допускаемого повышения температуры рельсовой плети относительно температуры ее закрепления [Д£у]

Тип рельсов Р65

Эпюра шпал, шт./км 1840 2000 1840 2000 1840 2000 1840 2000

ж/б с ж/б с

Тип шпал ж/б типового повышенным ж/б типового повышенным

сечения сопротивлением сечения сопротивлением

сдвигу сдвигу

Род балласта щебень щебень с «омоноличиванием»

к т и * 1 Ж ю о о й ^ О О прямая 54 58 58 62 57 61 61 65

2000 50 53 54 57 53 56 57 60

1200 47 51 51 55 50 54 54 58

2 ^ ы 2 о с К « Й 1000 46 49 50 53 49 52 53 56

Л и С 3 ° к Л 2 К гу се о Й ^ ю ^ £ § с к « 4 О О £ ^ ^ 800 44 47 48 51 47 50 51 54

600 41 43 45 47 44 46 48 50

а 500 39 41 43 45 42 44 46 48

ю к 400 36 38 40 42 39 41 43 45

з< ю И И 350 32 34 36 38 35 37 39 41

300 - 29 - 33 - 32 - 36

о к 250 - 28 - 32 - 31 - 35

На основании [9], [171] значения [Д*у] и можно принять в следующих диапазонах:

[Д£у] =1-2°С - для стабилизированного пути, выправленного выправочными машинами циклического действия типа ВПР, Дуоматик;

[Д£у] =2-3°С - для стабилизированного пути, выправленного выправочными машинами непрерывного действия типа ВП0-3000 и нестабилизированного пути, выправленного выправочными машинами циклического действия типа ВПР, Дуоматик (принято в качестве основного расчетного значения);

[Д£у] =4-6°С - для стабилизированного пути, выправленного электрошпалоподбойками;

[Д£у] =7-8°С - для нестабилизированного пути, выправленного электрошпалоподбойками;

[Д£у] =9-11°С - для нестабилизированного невыправленного пути;

= 1,8-2.

Значение (р было принято равным 66оС на основе анализа данных максимальных температур рельса, приведенных в [172], а значение (з принято в размере 15оС (для плетей, уложенных при действии ТУ-2000) и 20оС (для плетей, уложенных по ТУ-2012 и ТУ-2016), как минимально допустимая в эксплуатации, с учетом допуска, температура закрепления, таким образом для расчета была принята наиболее неблагоприятная нормативно допустимая разница температур (р - (з = 66-15=51оС (для ТУ-2000) и 66-20 = 46оС (для ТУ-2012 и ТУ-2016).

Значение коэффициента кф определяется по выражению, ранее приведенному во второй главе (формула 2.13):

ь = _1±_

^ = "ч '

^баз

где - коэффициент изменения норматива устойчивости рельсошпальной решетки бесстыкового пути, зависящий от величины изменения

значения /-го фактора относительно его нормативного значения; - критическая продольная сила сжатия, определенная с учетом влияния величины значения /-го отступления от его нормативного значения; ^баз - критическая продольная сила сжатия, определенная при состоянии бесстыкового пути, соответствующем его нормативному состоянию.

Как видно из формулы, для расчетов необходимы значения критических продольных сил при состоянии, соответствующем нормативным требованиям и состоянии, отличном от нормативного. В дальнейших расчетах переменным влияющим фактором является неровность пути в плане, характеризуемая амплитудой и длиной неровности. Переход от амплитуды неровности, как расчетного параметра, к значению оценочного параметра - разность стрел изгиба, может быть осуществлен на основе выражения (3.1):

, Д£ (3.1)

7 4'

где / - амплитуда неровности пути в плане; Д/ - разность стрел изгиба.

Значения критических сил при различных длинах и амплитудах отступлений в плане были получены с использованием математической модели устойчивости бесстыкового пути А.Я. Когана [111], [173].

В качестве основного уравнения было использовано интегро-дифференциальное уравнение, которое описывает продольно-поперечный изгиб рельсовой нити под действием продольных температурных сил:

( М • г \ у

Е]у1У + (рс - ч - г2 + ) у" + в • - -

(3.2)

где

у = у(х) - поперечный сдвиг рельсовой плети; Б1 - изгибная жесткость рельса;

функция, описывающая сопротивление поперечному перемещению рельсовой нити в зависимости от величины перемещения;

В • аг^у

N1 - продольная сила в рельсе;

у0 = уо(х) - ордината начальной ненапряженной неровности рельсовой нити.

В, Ь, д, М, г - коэффициенты, получаемые при аппроксимации экспериментальных данных сил сопротивления сдвигу шпал в балласте и сил сопротивления повороту рельса относительно шпалы в скреплениях.

Решение полученного уравнения в вариациях сложными методами преобразования, в том числе методом последовательных приближений уравнения критических частот для уравнения Матье-Хилла впервые получено А.Я. Коганом. Предполагается, что на практике невозможно разделить ненапряженную и напряженную (силовую) неровности: в эксплуатации возможно замерить только их сумму, бытовую неровность Сб=С0+С.

Система трансцендентных уравнений для криволинейного участка будет выглядеть следующим образом:

В* = В —

2Рск пИ

ь* = ь(\ —

пВя)^ ВЯ'

Бес"

Рьк

Рш = 2

Л

2Е]В*Ь*(4Ъ*Т+С2-Ь*)

сЧь*2+с2

+ Ц +

+

м

Vг2 + ы>2С2

1 +

г

— Уг^+й^с2

Е]Ш4С2 + (Ч +

М

уг^+ш^С2

1 +

шС

г — Ут2 + ш2С2 , шС

Ср, =

2 п2

ш2С

РшСш2 >* I „I и*2

+

+

2В* (УЬ*2 + С2 — Ь*) РгьСш2

(3.3)

Результаты моделирования в виде значений кф^ для участков с различным планом линии и сочетанием горизонтальных неровностей приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Значения коэффициентов изменения нормативной устойчивости бесстыковых плетей Кф} в зависимости от амплитуды и длины неровности для различных элементов плана линии

Амплитуда Длина неровности, м Значения коэффициентов изменения нормативной устойчивости бесстыковых плетей Кф; в зависимости от амплитуды и длины неровности для различных

неровности, мм элементов плана линии

прямая R=2000 м R=1200 м R=800 м Я=650 м R=350 м R=250 м

6 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

8 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

1 10 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

12 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

20 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

30 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

6 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

8 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

5 10 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

12 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

20 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

30 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

6 0,75 0,77 0,79 0,81 0,83 0,92 0,94

8 0,76 0,77 0,78 0,79 0,81 0,89 0,90

10 10 0,84 0,83 0,82 0,82 0,83 0,88 0,90

12 0,86 0,86 0,87 0,88 0,87 0,86 0,91

20 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

30 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

о

'Л

Амплитуда Длина неровности, м Значения коэффициентов изменения нормативной устойчивости бесстыковых плетей Кф; в зависимости от амплитуды и длины неровности для различных

неровности, мм элементов плана линии

прямая R=2000 м R=1200 м R=800 м Я=650 м R=350 м R=250 м

6 0,65 0,68 0,70 0,72 0,75 0,87 0,87

8 0,64 0,66 0,68 0,70 0,72 0,83 0,83

15 10 0,68 0,69 0,70 0,71 0,73 0,81 0,81

12 0,76 0,76 0,70 0,75 0,76 0,82 0,84

20 0,98 0,98 0,98 0,98 1,00 1,00 1,00

30 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

6 0,59 0,63 0,65 0,67 0,70 0,82 0,82

8 0,58 0,61 0,62 0,65 0,67 0,78 0,78

20 10 0,60 0,62 0,63 0,65 0,67 0,77 0,77

12 0,65 0,66 0,67 0,68 0,69 0,77 0,77

20 0,84 0,84 0,89 0,91 0,94 0,99 1,00

30 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

6 0,53 0,57 0,59 0,61 0,64 0,75 0,84

8 0,51 0,55 0,57 0,59 0,62 0,73 0,73

30 10 0,52 0,55 0,57 0,59 0,61 0,72 0,72

12 0,54 0,56 0,58 0,60 0,62 0,72 0,72

20 0,75 0,75 0,76 0,76 0,76 0,76 0,81

30 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

а\ 6

На основании вышеприведенных данных по методике, изложенной во второй главе, был выполнен расчет вероятности выброса рельсошпальной решетки и проведен анализ безопасности движения по отказу выброса бесстыкового пути. Результаты расчета для полного диапазона значений плана линии и неровностей в плане приведены в Приложении Б. Для анализа результатов расчета были применены оценочные критерии, представленные в первой главе. Результаты анализа приведены в таблицах 3.5-3.8, где представлены значения вероятности выброса бесстыкового пути в зависимости от норм устройства и условий эксплуатации. Результаты представлены для условий, при которых значение вероятности выброса более границы несущественного уровня риска, а именно от 0,3% и более. Критерием допускаемого состояния было принято условие нахождения вероятности выброса в зоне вполне приемлемого риска от 0,3% до 1,7%, в том случае, если значение вероятности выброса превышало 1,7%, такое состояние рассматривалось как недопустимое в нормальной эксплуатации.

Таблица 3.5 - Значения вероятности появления выброса бесстыкового пути при его устройстве и текущем содержании по нормам ТУ-2000_

Значения вероятности появления температурного выброса, %, для

конструкции пути

Разность стрел изгиба в Тип рельсов - Р65

Характе- Род балласта и конструкция балластной призмы -

ристика щебень горных пород, типовая призма

плана Характеристика шпал - ж/б типового сечения

линии плане, мм Эпюра шпал, шт./км

1840 2000 1840 2000 1840 2000

Длина неровности пути в плане, м

до 10 11 20 21 - 40

25 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

R = 400 м 45 3,5 0,7 0,1 0,0 0,0 0,0

65 - - 4,6 0,9 0,0 0,0

90 - - - - 0,0 0,0

25 1,0 0,1 0,5 0,0 1,1 0,1

R = 350 м 45 25,7 9,2 4,2 0,7 1,0 0,1

65 - - 33,4 13,7 2,0 0,2

90 - - - - 2,5 0,3

Анализ уровня безопасности движения по отказу выброс пути при эксплуатации плетей, уложенных по нормам ТУ-2000, показал следующее:

- не допускается появление коротких, длиной до 10 м, неровностей в плане с разностью стрел изгиба более 35 мм в кривых радиусом менее 400 м;

- не допускается появление средних, длиной более 10 до 20 м, неровностей в плане с разностью стрел изгиба более 45 мм в кривых радиусом 400 м и менее;

- длинные неровности в плане, длиной более 20 м, существенного влияния на безопасность движения по критерию обеспечения устойчивости пути не оказывают.

Таблица 3.6 - Значения вероятности появления выброса бесстыкового пути при его устройстве и текущем содержании по нормам инструкций 2012 и 2016г (длина неровности в плане до 10 м)

Значения вероятности появления температурного выброса, %,

для конструкции пути

Тип рельсов - Р65

Длина неровности пути в плане: до 10 м