Совершенствование метода и программно-аппаратных средств определения коррозионного состояния железобетонных опор контактной сети тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Протченко, Алексей Викторович

• Протченко, Алексей Викторович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Протченко, Алексей Викторович

Введение.

1 Коррозия железобетонных опор контактной сети и методы их диагностирования

1.1 Анализ механизма коррозии железобетонных опор контактной сети

1.2 Существующие методы определения коррозионного состояния железобетонных опор контактной сети.

1.3 Пути совершенствования методов определения коррозионного состояния железобетонных опор контактной сети.

2 Исследование параметров схемы замещения границы раздела «арматура-электролит» в железобетонных опорах контактной сети.

2.1 Исследование нелинейной части схемы замещения границы раздела «арматура-электролит» в железобетонных опорах контактной сети

2.2 Определение информативных параметров коррозионного состояния опоры. ->у

3 Разработка методики математической обработки результатов измерений электрохимических параметров подземной части железобетонных опор контактной сети.

3.1 Определение категорий дефектности железобетонных опор.

3.2 Кластеризация железобетонных опор контактной сети по категориям дефектности.

3.3 Оптимизация пути следования бригад ЭЧ при проведении диагностических и ремонтных работ железобетонных опор контактной сети в условиях существования многовариантности.

4 Усовершенствование методов и программно-аппаратных средств определения коррозионного состояния подземной части железобетонных опор контактной сети.

4.1 Совершенствование методики измерений.

4.2 Программно-аппаратный комплекс определения коррозионного состояния железобетонных опор контактной сети.

4.3 Определение экономической эффективности разработки и внедрения программно-аппаратного комплекса определения коррозионного состояния железобетонных опор контактной сети.

4.3.1 Затраты.

4.3.1.1 Цена разработки комплекса.

4.3.1.1.1 Затраты на разработку аппаратной части комплекса.

4.3.1.1.2 Затраты на разработку ПО для ПК и веб-сервиса.

4.3.1.1.3 Затраты на изготовление опытного образца.

4.3.1.1.4 Общие затраты на проектирование и изготовление системы.

4.3.2 Эффект и эффективность.

4.3.2.1 Показатели эффективности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование метода и программно-аппаратных средств определения коррозионного состояния железобетонных опор контактной сети»

Железнодорожный транспорт - одна из крупнейших отраслей народного хозяйства. На долю железных дорог приходится 84% от общего объема грузоперевозок на территории страны. Кроме этого, большая часть железнодорожного пути является стратегически важными для экономического развития всех регионов, так как обеспечивает необходимый грузопоток из европейской части России к предприятиям Зауралья и дальневосточным портам. Падение одной опоры на такой ветке пути приводит к крупным экономическим затратам, как прямым, связанным с ее заменой, так и косвенным, включающим в себя простой и задержку большого количества поездов. Вследствие этого, в соответствии со «Стратегией развития железнодорожного транспорта России до 2030 года» [1], повышение надежности инфраструктуры, куда входят также и железобетонные опоры как важнейший элемент тяговой сети, признано приоритетным и актуальным направлением научных и технических разработок.

Несущая способность железобетонной опоры изменяется в процессе ее эксплуатации под воздействием механических нагрузок, температуры и влажности окружающей среды, электрических и магнитных полей. Ежегодно заменяется до 1 % от общего количества опор, часть из которых не выработала свой ресурс.

Аварийные ситуации возникают при утере несущей способности опоры, основной причиной которой является коррозионное разрушение арматуры в подземной части, в зоне переменной смачиваемости и максимального приложенного механического момента.

Блуждающие токи, стекающие по арматуре вследствие неисправности изолирующих частей каркаса опоры, являются основными источниками коррозионных разрушений, которые могут принимать разнообразные виды и формы.

Для определения коррозионного состояния опор контактной сети существует множество методов, отличающихся друг от друга точностью получаемых результатов и трудоемкостью проведения исследований. Однако, существующие решения не позволяют достоверно определить степень износа опоры.

Сложившаяся ситуация вынуждает проводить целый комплекс измерений и обследований для своевременного выявления дефектных опор контактной сети. В условиях существования опасности коррозионного разрушения, эффективность коррозионных обследований становится одним из основных факторов поддержания надежности контактной сети. Поэтому совершенствование метода и программно-аппаратных средств определения коррозионного состояния подземной части железобетонных опор без откопки является актуальной задачей, направленной на повышение надежности, снижение затрат на содержание контактной сети и обеспечение безопасности движения поездов.

Цель диссертационной работы - повышение достоверности оценки коррозионного состояния железобетонных опор контактной сети путем совершенствования методики его определения за счет использования разработанных программно-аппаратных средств.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- определить параметры бетона и границы раздела «арматура-электролит» в щелочных средах, соответствующих реальным условиям в железобетонных опорах;

- усовершенствовать математическую модель и схему замещения границы раздела «арматура-электролит»; определить информативность ее параметров, выделить наиболее значимые;

- разработать и обосновать математические алгоритмы кластеризации опор по категориям дефектности, методику определения оптимального пути следования ремонтной бригады для диагностирования и замены опор;

- разработать программно-аппаратный комплекс определения коррозионного состояния железобетонных опор контактной сети.

Методы исследования. При исследовании применялись как теоретические, так и экспериментальные методы. Теоретические исследования выполнены с применением алгоритмов кластеризации и таксономии и математического моделирования на ПК с использованием математического пакета NumPy и SciPy языка Python. Разработка клиентской части программного обеспечения комплекса производилась с помощью графической библиотеки Qt 4.7.1 языка С++, прототипа серверной части - с помощью фреймворка Django языка Python.

Научная новизна работы состоит в следующем: усовершенствована математическая модель коррозионной ячейки железобетонной опоры с учетом нелинейности ее элементов; разработаны методы обработки и кластеризации результатов измерений электрохимических параметров железобетонных опор контактной сети на основе математических алгоритмов многомерной кластеризации; выявлены наиболее информативные параметры с точки зрения определения коррозионного состояния опоры с применением методов теории информации.

Достоверность научных положений и результатов, полученных в работе, обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. Расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 10 %.

Практическая ценность диссертации заключается в следующем: усовершенствованная схема замещения границы раздела «арматура -электролит» позволяет повысить точность определения коррозионного состояния железобетонных опор контактной сети; разработанная методика обработки результатов измерений предоставляет возможность автоматизировать процесс принятия решения об определении степени коррозионного износа железобетонной опоры; выявленный набор информативных параметров позволяет реализовать программно-аппаратный комплекс для определения коррозионного состояния железобетонных опор контактной сети.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены:

- на III международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и 1Т-образование», Ростов, 2009;

- на научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте», Омск, 2009;

- на региональной молодежной научно-технической конференции «Омское время - взгляд в будущее», Омск, 2010;

- на международной научно-практической конференции «Инновации для транспорта», Омск, 2010г.;

- на научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на Западно-Сибирской железной дороге», 2010.;

- на региональной молодежной научно-технической конференции «Омский регион - месторождение возможностей», Омск, 2011;

- на всероссийском форуме молодых ученых и инноваторов «Селигер 2010», Тверская область, 2010;

- на региональном форуме молодых ученых и инноваторов «Ритм 2010», Омская область, 2010;

- на технических семинарах кафедр ОмГУПС.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе -девять статей, две из которых - в изданиях, входящих в перечень, утвержденный ВАК Минобрнауки Российской Федерации, получено два свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Протченко, Алексей Викторович

Выводы:

1. Предложенные методы определения коррозионного состояния железобетонных опор контактной сети позволяют без проведения дополнительных земляных работ оценить степень коррозионного износа опоры и получить ее географические координаты для дальнейшего использования. Помимо этого, они позволяют избавиться от систематической ошибки измерений, связанной с изменением свойств источника опорного напряжения при подключении к нему измерительной цепи.

2. Предложен программно-аппаратный комплекс, позволяющий точно определить по предложенной методике коррозионное состояние исследуемой опоры, а также предоставляющий удобный интерфейс пользователя для представления полученной информации о результатах измерений, также реализующий дополнительные возможности, такие как построение оптимального пути ремонтных бригад и сбора статистических данных за выбранный пользователем период.

3. Расчет экономических параметров комплекса показал, что он имеет высокую внутреннюю норму доходности (98%), а прирост денежного потока при использовании комплекса на Западно-Сибирской железной дороге составит 325970 рублей в год, что делает этот проект рентабельным не только на внутреннем, но и на мировом рынке.

105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной работы сделаны следующие основные выводы.

1. Определены параметры бетона и границы раздела «арматура-электролит» в щелочных средах, соответствующих реальным условиям в железобетонных опорах.

2. Усовершенствованы математическая модель и схема замещения границы раздела «арматура-электролит»; определена информативность ее параметров, выделены наиболее значимые.

3. Разработаны и обоснованы математические алгоритмы кластеризации опор по категориям дефектности, методика определения оптимального пути следования ремонтной бригады для диагностирования и замены опор.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс определения коррозионного состояния железобетонных опор контактной сети.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Протченко, Алексей Викторович, 2011 год

1. Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года. Утв. 01.10.2004 года // ОАО «Российские железные дороги». М., 2004.

2. Алексеев С. Н. Коррозия и защита арматуры в бетоне / С. Н. Алексеев // «Стройиздат». НИИЖБ Госстроя СССР, 1968. 225 с

3. Вайнштейн A. JI. Коррозионные повреждения опор контактной сети / А. Л. Вайнштейн, A.B. Павлов // «Транспорт». Москва, 1988. 111 с

4. Михеев В. П. Контактные сети и линии электропередачи: учебник для вузов ж.-д. транспорта / В. П. Михеев // «Маршрут». Москва, 2003.416 с

5. Богин И. М. К вопросу о защите от коррозии арматуры фундаментов опор контактной сети//Железнодорожное строительство. 1953. № 14.

6. Ершов И. М., Панфиль Л. С. Защита сооружений от блуждающих токов железных дорог. М., 1965. 144 с.

7. Ершов И.М., Иванова В.И. Коррозия арматуры железобетонных опор и бетонных фундаментов опор контактной сети токами утечки с рельсов. М., 1959.30 с.

8. Корнфельд И. А., Притула В. А. Защита железобетонных конструкций от электрокоррозии, вызываемой блуждающими токами. М., 1964. 75 с.

9. Бабушкин В. И. Физико-химические процессы коррозии бетона железобетона. М., 1968, 181 с.

10. Москвин В. М, Иванов Ф. М., Алексеев С. Н., Гузеев Е. А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. М., 1980, 536 с.

11. Ахвердов И. Н. Железобетонные напорные центрифугированные трубы. М., 1967. 163 с.

12. Селедцов Э. П., Баранов Е. А. Эксплуатация опор контактной сети. М., 1970. 95 с.

13. Селедцов Э.П., Плешаков Ю.В. Потенциальные условия работы опор контактной сети. // Труды ЛИИЖТ. Вып. 227. Л., 1964, С. 30 32.

14. Кудрявцев А. А., Селедцов Э. П. Характер разрушения железобетонных опор контактной сети при электрохимической коррозии арматуры // Труды ЛИИЖТа; Вып. 351. Л., 1973. С. 113 118.

15. Котельников А. В., Иванова В. И., Селедцев Э. П., Наумов А. В. Коррозия и защита сооружений на электрифицированных железных дорогах. М., 1974. 152 с.

16. Горчаков Г. И., Капкин М. М., Скрамтаев Б. Г. Повышение морозостойкости бетона в конструкциях промышленных и гидротехнических сооружений. М., 1965, 195 с.

17. Артамонов B.C. Защита от коррозии транспортных железобетонных конструкций. М., 1961. 92 с.

18. Москвин В. М., Алексеев С. Н., Вербецкий Г. П., Новгородский В. И. Трещины в железобетоне и коррозия арматуры. М., 1971, 144 с.

19. Иванов Ф. М. Защита железобетонных транспортных сооружений от коррозии. М., 1968. 175 с.

20. Иванов Ф. М., Розенталь Н. К. О защите стальной арматуры в бетоне морских гидротехнических сооружений // Труды НИИЖБа; Вып. 19. М., 1975.

21. Кудрявцев А. А. Несущая способность опорных конструкций контактной сети. М., 1988. 160 с.

22. Подвальный А. М. Коррозионные разрушения бетона вследствиеiгидравлического давления в его микроструктурах // Труды. НИИЖБа. М., 1971. С. 67-77.

23. Стрижевский И. А., Рейзин Б. Л., Иоффе Э. И. Коррозия и защита арматуры железобетонных трубопроводов. М., 1972. 97с.

24. Гуков А. И. Диагностика опор контактной сети // Электрическая и тепловая тяга. 1980. № 12. С. 34 35.

25. Гуков А. И., Чадин А. Б. Аппаратура диагностики опор. Вибрационный и электрохимический метод // Электрическая и тепловая тяга. 1981. №4. С. 38-40.

26. Гуков А. И., Чадин А. В. Поведение потенциала стали в бетоне при ее коррозии блуждающими токами // Труды МИИТа; Вып. 604. М., 1978. С. 173 180.

27. Афанасьев В. И., Нагевич Ю. М., Подольский В. И. Особенности эксплуатации опор контактной сети в условиях Восточной Сибири. М., 1977. 49 с.

28. Подольский В. И. Диагностирование железобетонных опс>р контактной сети ультразвуковым методом. // Эксплуатация и долговечность железобетонных опор контактной сети. / Труды ВНИИЖТ. М., 1993. С 9 14. '

29. Подольский В. И. Диагностика железобетонных опор контактной сети ультразвуковыми приборами // Железнодорожный транспорт. Сер. Электроснабжение железных дорог; Вып. 2: Экспресс-информация /ЦНИИТЭИ МПС. 1993. С 14-26.

30. Каратаев В. Г. Влияние климатических факторов на электрическое сопротивление железобетонных опор контактной сети и способы его уменьшения: Автореферат дисс.канд. техн. наук. М., 1982. 22 с.

31. Каратаев В.Г. Исследования и разработка мероприятий по предупреждению электрической коррозии железобетонных опор контактной сети. Дисс.канд. техн. наук. Л., 1981. 221 с.

32. Кунцевич О. В. Морозостойкие бетоны для строительства' в условиях Севера. Л., 1983.

33. Кравченко Т. Г., Голубовская Е. Е. Влияние переменного тока промышленной частоты на коррозионную стойкость стальной арматуры. Коррозионно-стойкость бетона и железобетонных конструкций. М., 1981. С. 81-89.

34. Кузнецов К. Б., Звягинцева Г. В., Мезенцев А. П. Поиск дефектных опор // Электрическая и тепловая тяга. 1983. № 2. С. 42-43.

35. А. с. 1293574 СССР, МКИЗ С0Ш17/00. Способ определения коррозионного состояния железобетонных сооружений. // БИ № 8, 28.02.87. / Вайнштейн А. Л.

36. Гунгер Ю. Р., Тарасов А. Г., Чернев В. Т. Ультразвуковой и вибрационный контроль состояния железобетонных стоек опор и фундаментов воздушных линий электропередачи / Электроинфо. 2005. № 11. С. 40 43.

37. Гунгер Ю.Р., Чернев В.Т. Диагностика опор и фундаментов воздушных линий электропередачи. Современные методы оценки / Новости электротехники. 2006. № 2. С. 134- 136.

38. Демин Ю. В., Демина Р. Ю., Горелов В. П. Обеспечение долговечности электрических материалов и конструкций в агрессивных средах. Кн. 1. Теоретические основы. Новосибирская гос. акад. водного трансп. Новосибирск, 1998. 209 с.

39. Демин Ю. В., Демина Р. Ю., Горелов В. П. Обеспечение долговечности электрических материалов и конструкций в агрессивных средах. Кн. 2. Теоретические основы. Новосибирская гос. акад. водного трансп. Новосибирск, 1998. 190 с.

40. А. с. 024634 Россия, МКИЗ G01C23/9. Устройство для измерения электрохимического потенциала // Бюллетень изобретений. 2000. №11/ Андреев О. А., Кандаев В. А. Кулагин В. Н.

41. Пат. 2283370 Россия, МКИ7 C23F 13/00. Способ защиты кабелей электроснабжения от коррозии, токов короткого замыкания и опасных влияний // Открытия. Изобретения. 2006. № 25 / Кандаев В.А., Демин Ю. В., Сафрошкина Л. Д., Кандаев A.B., Свешникова Н. Ю.

42. Пат. 2342647 Россия, МКИ G01N17/00. Способ определения коррозионного состояния подземной части железобетонных сооружений. / /Открытия. Изобретения. 2008. № 36. / Кандаев А. В. Кандаев В.А., Свешникова Н. Ю.

43. Кандаев В. А. Совершенствование эксплуатационного контроля коррозионного состояния подземных сооружений систем электроснабжения железнодорожного транспорта: Монография. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2003. 198 с.

44. Скорчелетти В. В. Теоретические основы коррозии металлов /В. В. Скорчелетти // Ленинград:Химия, 1973. 264 с

45. Г о p о ш к о в Ю. И. Контактная сеть/ Ю. И. Горошков, Н. А. Б о н д а р е в// 3-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1990. 399 с.

46. Томашов Н. Д. Пассивность металлов и зашита от коррозии / Н. Д. Томашов, Г. И. Чернова// М:Наука, 1965. 399 с.

47. Подольский В. И. Эксплуатационные воздействия на опоры контактной сети электрифицированных железных дорог и повышение их надёжности: Автореферат дисс. докт. техн. наук. М., 1997. 66 с.

48. Указания по техническому обслуживанию и ремонту опорных конструкций контактной сети. / Департамент электрификации и электроснабжения Министерства путей сообщения Российской Федерации. М.: ТРАНСИЗДАТ, 2003. 88 с.

49. Герасимов В.П. Аппаратура диагностики опор. Индуктивный метод / В.П. Герасимов, Л.Д. Вайнтрауб, Б.А. Пермяков // Электрическая и тепловая тяга, 1981. №4. С. 40-41.

50. Указания по техническому обслуживанию и ремонту опорных конструкций контактной сети. М.: Транспорт, 1996. 120 с.

51. A.c. 024634 Устройство для измерения электрохимического потенциала / О.А.Андреев, В.А. Кандаев, В.Н. Кулагин; Опубл. 11.12.99.

52. Кандаев A.B., Сафрошкина Л. Д. Защита от коррозии силовых кабелей в алюминиевой оболочке и шланговом изолирующим покрытии // Электроэнергия и будущие цивилизации: Материалы междунар. научн. техн. конф. / Томский гос. ун-т. Томск, 2004. С. 73 76.

53. Протченко A.B. Схема замещения коррозионной ячейки железобетонной опоры контактной сети/ Протченко A.B., Мухин В.А.// «Известия Транссиба», №3 . Омск, 2011.

54. Дамаскин Б. Б. Введение в электрохимическую кинетику / Дамаскин Б. Б., Петрий О. А. // «Высшая школа». Москва, 1975. 416 с

55. Боресков Г.К. Влияние смещения уровня химического потенциала электронов на активность катализаторов-полупроводников / Боресков Г.К. // Доклады АН СССР-1959-Т. 127 №3, с 591-594

56. Landtangen H . A Primer on Scientific Programming with Python/ Hans Peter Landtangen //«Springer». Берлин, 2009. 726 с

57. Лидовский В. В. Теория информации / Учебник для ВУЗов. «Спутник». Москва, 2004. 111 с

58. Назаров М. В. Теория передачи сигналов / Назаров М. В Кувшинов Б. И., Попов У. В. // «Связь». Москва, 1970. 386 с

59. Протченко A.B. Категории дефектности железобетонных опор контактной сети // Протченко A.B. // Инновации для транспорта: сб. науч. статей с международным участием в трех частях. Часть 2. ОмГУПС, 2010.

60. Клименко О. В. Технология интеллектуального поиска по электронным обучающим материалам / Клименко О. В. // Электронное обучение в традиционном университете: сб. ст./Новосибирск,2010. С. 75-79.

61. Борисова И. А. Алгоритм таксономии FRiS-Tax / Борисова И. А., Загоруйко Н. Г.// Научный вестник НГТУ, 2007, №3(28) / Новосибирский гос. техн. ун-т. Новосибирск, 2007. С. 3-12.

62. Протченко A.B. Применение рандомизированного алгоритма стохастической аппроксимации для определения коррозионного состояния опор контактной сети/ Протченко A.B.// «Вестник Иркутского Государственного Технического Университета», №2 . Иркутск, 2011.

63. Сапожников В. В. Основы технической диагностики / Сапожников В. В., Сапожников Вл. В.//«Маршрут». Москва, 2004.318 с

64. Граничин О. Н. Решение задачи автоматического распознавания отдельных слов речи при помощи рандомизированного алгоритма стохастической аппроксимации // Нейрокомпьютеры: разработка, применение, 2009, 3 , с. 58-64.

65. Граничин О. Н. Введение в методы стохастической оптимизации и оценивания / Учебное пособие // Издательство СпбГУ. Спб, 2003.131 с

66. Елисеева И. И. Общая теория статистики / Елисеева И. И., Юзбашев М. М. // «Финансы и статистика». Москва, 2004. 653 с

67. Pearson К On lines and planes of closest fit to systems of points in space. // Philosophical Magazine 2., с 559-572, http://pbil.univ-ly on 1 .fr/R/pearson 1901 .pdf

68. Зиновьев А. Ю. Визуализация многомерных данных // Издательство КГТУ. Красноярск, 2000. 180 с

69. Левитин А. В. Алгоритмы: введение в разработку и анализ / А. В. Левитин // «Вильяме». Москва, 2006. 576 с

70. Кормен Т. X. Алгоритмы: построение и анализ / Т. X. Кормен, Ч. И. Лейзерсон, Р. Л. Ривест, К. Штайн // «Вильяме». Москва; 2005. 1296 с

71. Grossberg S . Classical and instrumental learning by neural networks / S. Grossberg //Progress in theoretical biology, vol. 3, 1974. c. 51-141.

72. Кандаев А. В. Совершенствование эксплуатационного контроля коррозионного состояния подземной части железобетонных опор контактной сети: Дисс.канд. техн. наук. Омск, 2009. 159 с.

73. Описание протокола NMEA-0183 версии 2.1 / Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.radioscanner.ru/info/articlel66/ , свободный. — Загл. с экрана.

74. Бек К. Экстремальное программирование / Кент Бек // «Питер». СПб., 2004. 354 с.

75. Б у ч Г . Объектно-ориентированный анализ и проектирование / Г. Буч // «Вильяме». Москва., 2000. 359 с.

76. Г а м м а Э . Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования / Э. Гамма, Р. Хелм, Р. Джонсон, Д. Влиссидес // «Питер». СПб., 2006. 366 с.

77. Протченко А. В., Кандаев В.А. // Программаiмониторинга коррозионного состояния опор контактной сети 2.0. Свидетельство о государственнойц регистрации программы для ЭВМ RU 2011613719. Заявка: 2011611763, 16.03.2011. Опубл.: 13.05.2011.

78. SOAP-кодирование, типы WSDL и XML schema/ Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.iso.ru/journal/articles/166.html, свободный. — Загл. с экрана.

79. Методические рекомендации по расчету экономической эффективности новой техники и технологии, объектов интеллектуальной собственности / Распоряжение по ОАО «Российские железные дороги» от 10.11.2009 №2288р

80. Типовые нормы времени на техническое обслуживание и текущий ремонт контактной сети электрифицированных железных дорог/. М.: Транспорт, 1988 г. 152 с.