автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Совершенствование системы планирования ремонтов железнодорожного пути

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

ПАТЛАСОВ Александр Михайлович

УДК 625.173.001.4

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СКСТЕЫЫ ПЛАНИРОВАНИЯ РЕМОНТОВ 2ЕЛЕЗШДОР02НОГО ПУТИ

Специальность 05.22. Об - Еэлезнодорсдашй путь

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саккг-Петербург - 1391

Работа выполнена в Днепропетровской ордена Тй'ИобсУГо . красного внамени институте инженеров железнодорожного транспорта'

имени 11 И. Калинина <*>•< ч

* •

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор ВОЛОШКО Юрий Данилович (ДЮГГ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ТИХОМИРОВ Василий Иванович

кандидат технических наук, доцент СМИРНОВ Владимир Иванович

Ведукре предприятие - Приднепровская ордена Ленина железная

дорога- л-у 1 , 13»

Защита состоится "Фт" ШмМ 19$кг. в 1£ час. на заседании специализированного совета К 114.03.06 в Петербургской институте инженеров железнодорожного транспорта (100031, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 9. ауд. 1-418)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

Е. С. Свинцэв

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

лссмтдци^ 'уадьность Работы. В транспортной системе нашей страны ■■ ришысЛ значение имеет .железнодорожный транспорт. На него приходится около 60Х внутреннего грузооборота и свыше 40Х пассажи-рооборота в междугородном и пригородном сообщениях и d перспективе он будет оставаться главным звеном з системе перевозок.

Значительные изменения произошли в работе зкелезнодорозпюго транспорта и интенсификации его эксплуатации за последние три десятилетия. Так, средняя грузонапряженность участков в главном пути возросла в 1.5-2 раза, максимальная осевая нагрузка грузовых вагонов поднималась с 205 до 257,5 кН, средняя масса грузового поезда увеличилась на 1000 т. Численность же путейцев сократилась за этот период на 100 тыс. чел., в основном на эксплуатации. Укомплектованность дистанций пути в среднем составляет 62.8 процента, а в дистанциях пути, обслуживающие промышленные центры, около 40 процентов расчетного контингента.

Условившиеся условия эксплуатации, дефицит материальных и трудовых ресурсов, переход на договорные условия поставки и рыночные цены вызывают необходимость изменения подхода в планировании системы ведения путевого хозяйства, особенно это касается сроков назначения ремонтов пути, так как просрочка или преждевременное проведение ремонтов существенно влияют на суммарные затраты, которые несут путевое хозяйство и железные дороги в целом.

Определение наиболее рациональных сроков проведения ремонтов верхнего строения пути при условии обеспечения безопасности движения поездов, а иакж? планирование капитальных ремонтов пути при ограниченных ресурсах с учетом его фактического состояния являются, таким образом, одной из актуальных задач в области путевого хозяйства Решению дгнпых вопросов посвяцена реферируемая работа.

Цель и задача исследования. Целью диссертационной работы является определение рациональных сроков проведения ремонтов верхнего строения пути на основе изучения и анализа работы его основных элементов на участках с высокими осевыми нагрузками.

Дяя выполнения поставленной цели были решены следующие задачи:

- дана качественная и количественная оценка влияния различных эксплуатационных факторов на интенсивность потока отказов

рельсов по дефектам:

- проведены эксплуатационные наблюдения за потоком отказов рельсов на участках пути с различи ими условиями эксплуатации;

- разработана вероятностная модель потока отказов рельсов в зависимости от основных эксплуатационных факторов;

- получена математическая модель дополнительного сопротивления движению поездов в части, зависящей от пути;

- для определения основного критерия, обеспечивающего надежную работу рельсов, исследовано напряженно-деформированное состояние пути при воздействии различных типов эксплуатируемого и перспективного подвижного состава с высокими осевыми нагрузками на путь;

- разработана и доведена до практического применения методика оптимизации схемы содержания пути

- составлены алгоритмы и программы планирования ремонтов пути с использованием современных ЭВМ.

Методика исследований. Общая методика решения проблемы поиска схемы содержания пути.соответствующей современным условиям эксплуатации, базируется на применении динамического программирования. Для учета влияния сроков и объёмов проведения ремонтов пути, а также основных эксплуатационных факторов на его работу в целом и отдельных элементов в частности использовались отчетные данные служб пути, результаты эксплуатационных наблюдений. теоретических расчетов и экспериментальных исследований.

Оля определения потока отказов рельсов на опытных участках, заложенных на Приднепровской и Одесской дорогах, использовались подробные продольные профили, рельсо-шпальЬо-балластные карты, ведомости учета рельсов, снятых с главных путей (форма ПУ-4, ПУ-2а), годовые отчеты дистанций пути.

При разработке математических моделей отказов рельсов были использованы методы факторного (дисперсионного) . регрессионного анализа, теорий вероятностей, надежности и восстановления.

Воздействие графиковых поездов и перспективных локомотивов на путь определено экспериментально с использованием традиционных методов измерений. Обработка результатов экспериментов производилась на ЭВМ по специально составленным программам.

Научная новизна. Разработана методика прогнозирования отказов элементов по контактно-усталостным дефектам. При этом были использованы основные положения и методы теорий вероятности и надежности применительно к работе восстанавливаемых объектов.

Методика реализована при построении вероятностной модели отказов рельсов, как основного элемента верхнего строения пути.

Получена математическая модель зависимости дополнительного сопротивления движению подвижного состава в зависимости от осевой нагрузки и сроков выполнения промежуточных ремонтов.

Выполнено экспериментальное исследование воздействия графитовых поездов с высокими осевыми нагрузками на путь с предварительным определением у них статических осевых нагрузок.

Разработана методика выбора рациональной межремонтной схемы и планирования капитальных ремонтов пути на дороге.

Практическая ценность. На основе разработанной методики оптимизации схемы содержания пути составлен пакет программ для персональных 1ВМ совместимых ЭВМ позволяющий выбрать наиболее рациональную схему содержания пути и составить план капитального ремонта пути в пределах дороги при ограниченных материальных ресурсах с учетом его фактического состояния. Цри этом использовались разработанные математические модели отказов рельсов и дополнительного сопротивления движению поезда

Вероятностная модель параметра потока отказов рельсов может быть использована при определении периодичности дефектоскопиро-вания рельсов в зависимости от эксплуатационных параметров.

Достоверность. Исследования, проведенные автором, базируется на современных математических теориях и подтверждены результатами наблюдений и экспериментов.

Реализация результатов исследований. Методика и результаты исследований, а также разработанные автором программы для ЭВМ были использованы при выполнении кафедрой "Путь и путевое хозяйство" ДИИТа научно-исследовательских работ по определению статистической взаимосвязи между повреждениями пути и осевой нагрузкой вагонов.

Разработанный на основе предлагаемой автором методики пакет программ планирования капитального ремонта с учетом фактического состояния пути, как системы, внедрен на Цриднепровасой железной дороге.

Апробация работы. Отдельные вопросы, основные положения и результаты диссертации докладывались и получили одобрение на:

- всесоюзной конференции г.о проблемам механики железнодорожного транспорта и повыпения надежности и соверзенствованию инструкции подвижного состава (г.Днепропетровск, май 1988г.);

- научно-технической конференция кафедр ХИИГа (г.Харьков. 1988):

- всесоюзной межвузовской научно-практическая конференции молодых ученых, .специалистов и аспирантов (г.Москва,апр. 1989 г.);

- всесоюзной научно-практической конференции по методом и средствам диагностирования технических средств железнодорожного транспорта (г. Омск, июнь 1989 г.);

- Х1У научно-технической конференции кафедр БелШГГа и ДорНГО Белорусской железной дороги (Гомель, ноябрь 1989 г.);

- юбилейной научно-технической конференции кафедр института и специалистов железных дорог, посвященной 60-летию ДИИТа (г.Днепропетровск. 1990 г.);

- ХХХУ1 научно-технической конференции по вопросам путевого хозяйства (г. Лгнинград 1990 г.);

- всесоюзной научно-практической конференции молодых ученых, специалистов и аспирантов (г. ЬЬсква. апрель 1991 г.);

- всесоюзной научно-технической конференции "Транссиб и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте" (Новосибирск, 1991 г.);

- на научных семинарах кафедр "Железнодорожный путь" ЛИШа и "Путь и путевое хозяйство" ДИИТа (г.Днепропетровск. 1989-1991 гг. ;г. Санкт-Петербург, 1991 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах. .

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и предложений, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 166 страницах, содержит 17 рисунков. 21 таблиц. Список литературы из 122 наименований. Приложений а

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности теш. изложению целей, эадач и основных положений диссертации.

Усложнение условий эксплуатации, дефицит материальных и трудовых ресурсов, переход на договорные условия поставки и рыночные цены вызывают необходимость изменения подхода в планировании системы ведения путевого хозяйства. Это изменение должно осуществляться на научной основе, с использованием данных о фактическом состоянии железнодорожного пути, как системы и с применением современных экономико-математичес-.аи методов и ЭВМ.

В первой главе дан обзор состояния и краткая историческая

справка по системе ведения путевого хозяйства у нас в стране и за рубежом, ее современное состояние и пути совершенствования. Проведен ретроспективный анализ методов оптимизации системы содержания пути и обоснован выбор метода оптимизации, изложены цели и задачи настояшх исследований.

Путевое хозяйство - одна из основных отраслей железнодорох-ного транспорта, на долю которого приходится более 50 процентов основных фондов. Поэтому правильное, научно обоснованное ведение путевого хозяйства одна из основных проблем железнодорожного транспорта.

Эксплуатация железнодорожного пути в современных условиях происходит в условиях острого дефицита материально-технических ресурсов, рабочеи силы, перехода к рыночным отношениям. В такой ситуации особенно остро стоит вопрос о повышении сроков надежной работы пути и сокращении материальных и трудовых затрат. Одн'.тм из важных направлений в ресении этого вопроса является научное обоснование сроков проведения ремонтных работ и составление планов капитальных ремонтов в первую очередь с учетом стоимостных затрат при безусловном соблюдении безопасности движения.

Созданию современной системы ведения путевого хозяйства предшествовали многолетние исследования ученых совместно с новаторами и передовыми коллективами отрасли, ■ их творческий поиск оптимальных условий для содержания пути при непрерывно растущих объемах перевозочной работы, интенсивности использования пути и его сооружения.

Основы научной организации путевого хозяйства закладывались русскими кнжгнераш уже давно. Вопрос о необходимости планирования путевых работ поднимался прогрессивными путейцами ес.ё в конце XIX века. На отдельных дорогах делались попытки введения планового ремонта пути.

Особенно большое значение тлело предложение известного русского инженера С. П. Бачманова о введении планового попикетно-го ремонта пути,который в то время был весьма прогрессивным.

За всв историю супествования и развития железных дорог нормы и состав ремонтных работ менялся неоднократно, на основе изучения работы составных частей и пути в целом.

Весомый вклад в ресении данного вопроса впесли ученые путейцы д. т. н.. профессора Е Г. Альбрехт. С. Е Амелин, Е И. Анге-лейко, Г.Е. Андреев, М.Ф. Вериго, Е Д. Данилов. А. Ф. Золотарский. К.С. Исаев.ЕИ.Тихомиров, 11 А.Орипман, Г. 11 ИЬхунянц. ЕЯ. Шуль-

га. проф. ЕЕ Кондаков, к.т.н. ЕЕ Коваленко. ЕЕ стельыашев, Е Ф. Седулов. Е П. Цуканов. Э. Я Шац, В. U. Янин и др.

В 1964 г. Госстрой СССР утвердил переработанную классификацию путевых работ, межремонтные сроки и типы верхнего строения -Положение о проведении планово-предупредительного ремонта верхнего строения пути, земляного полотна и искусственных сооружений железных дорог Союза ССР (Положение). Это Положение позволило строго определить виды и объемы путевых работ на каждый год, планировать их на любой отреэок времени вперед как в целом по сети, так и отдельно по каждой дороге, отделению дороги и дистанции пути.

Непрерывный рост грузонапряженности, осевых нагрузок, скоростей движения, количественные и качественные изменения происходящие в перевозочной работе выдвигают новые, более высокие требования к системе содержания пути, требуют проведения корректировки и уточнения норм межремонтного тоннажа, а так же увязки их с конкретными, наиболее значимыми условиями эксплуатации.

Большая работа в этом направлении ведется ьо ВНИИЛе. Под руководством д.т.н. .проф. ЕГ. Альбрехта учеными института были внесены существенные изменения в проект нового положения о проведении планово-предупредительного ремонта пути. Однако ни Положение 1S64 г., ни новый проект, ни действующее указание ЩТГ-79 от 31.07.80 не учитывают в полной мере фактическое состояние пути. не учитывают всего многообразия эксплуатационных, материальный. климатических и других условий. Нормы не предусматривают взаимосвязи между фактическими расходами на текущее содержание пути и сроками проведения тех или иных ремонтных работ. Эти нормы не учитывают также влияния скоростей движения и осевой нагрузки подвижного состава, плана и профиля линий и др. факторов на сроки Проведения ремонтов пути. Так на участках со средними осевыми нагрузками в 100 и 200 кН сроки проведения ремонтов назначаются после пропуска одинакового объёма груза в млн. т брутто.

На учет этих факторов неоднократно обращали внимание в своих работах Е Я В^льга. Е П. Кондаков, Е Е Цуканов.

Созданием и совершенствованием методик по оптимизации межремонтной схемы содержания пути, нормированного годового объема ремонтов пути и их практическому применению занимались советские и зарубеиные ученые доктора технических наук, профессора Г.Ы. Шахунянц, ЕЕ Тихомиров, к. т.н. Э. а Шац .ЕЕЯнин. ЕЕ Коваленко, Рольф Ираке, Fez to А. Е. и др. Однако 8десь остались не-

решенными вопросы планирования и назначения ремонтов с учетом фактического состояния верхнего строения пути.

Во второй главе приведена методика оптимизации схемы содержания пути. Для этого сделан выбор расчетной модели работы верхнего строения пути, проанализировано применение динамического программирования в оптимизации сроков проведения основных планово-предупредительных ремонтов, определено состояния верхнего строения пути с применением теории восстановления.

В последнее время в исследованиях работы элементов железнодорожного пути и всего верхнего строения в целом нами отражения методы теорий надежности и восстановления. Широко известны фундаментальные труды советских и зарубежных исследователей д. т.н. .проф. Н. И. Карпукенко, к. т.н. а С. Лысюка, Г. И. Тарно-польского, проф. X Еалуха и др.

Верхнее строение пути, как смешанная система, состоящая из рельсов, ппал, скреплений и балласта, является вероятностной системой, т.е. состояние ее нельзя предугадать точно и подробно. Цзжно. однако, рассматривать вероятность её перехода из одного состояния в другое, если эти состояния будут соответствующим образом определены и если имеется статистические данные, касающиеся поведения системы в близких конструктивных и климатических условиях содержания пути. ЬЬздель этой систеш можно представить как совокупность элементов, где единовременно сменяемые элементы (рельсы) соединены последовательно, а остальные - параллельно, причем параллельно соединенные элементы работают с напряженным резервом.

Затраты на содержание пути в целом зависят от качества текущего содержания, количества и вида проводимых ремонтов, а также периодичности и последовательности их выполнения. Эти зависимости. кгк известно, носят нелинейный характер. Сами расходы должны определяться поэтапно с учетом предыстории процесса, т. е. с учетом проведенных ремонтов и их периодичности за прошедпий период эксплуатации.

В такой постановке задача оптимизации может быть решена методом динамического программирования. Динамическое программирование (ДП) представляет собой особый математический аппарат, позволяющий осуществлять оптимальное планирование управляемых процессов. Суеность этого метода заключается в том, что оптимальное управление строится постепенно, шаг за шагом. На каждом ваге оптимизируется управление только этого шага. Вместе с тем на каж-

дом шаге управление выбирается с учетом последствия. так как управление. оптимизирующее целевую функцию только для данного шага. может привести к неоптимальному эффекту всего процесса Управление на каждом шаге должно быть оптимальным с точки зрения процесса в целом.

Управление lin на n-ом шаге необходимо выбирать так, чтобы оно в совокупности с оптимальным управлением на последующих шагах приводило бы к общему минимуму затрат на оставшихся шагах, начиная с n-го шага и до конца. Это положение в аналитической форме для любого начального состояния можно записать в виде соотношения, подучившего название основного функционального уравнения динамического программирования.

^ntSn-lb^ |un<sn-l'Urv>+wWsn>) <«

где W n< Sfl_1 ) - суммарные затраты с шага п до конца процесса;

Sn_1(Un) - эффективность управления U на шаге п при переходе системы от состояния Sn.1 к Sn.

В общем случае (теоретически) схема содержания железнодорожного пути после капитального ремонта может быть самой различной. На следующий год после капитального ремонта можно осуществлять либо только текущее содержание либо дополнительно выполнить какой-либо вид ремонта Эту же стратегию можно осуществить во второй и последующие годы эксплуатации (рис. 1).

В исследованиях В. tí. Янина. Е И. Коваленко, где предпринималась попытка использования метода ДП, количество шагов определялось исходя из средней грузонапряженности на участке и норм периодичности капитального ремонта пути. Вместе с тем сама величина нормативного тоннажа между капитальными ремонтами может иметь оптимальную величину, а следовательно и должна устанавливаться на основе оптимизации. Исследованиями в данном направлении занимались А.Ф.Эолотарский, IL П. Цуканов, ЕЯ Шульга, Ы.Н Клоков и др. Таким образом задачи по определению рационального срока между капитальными ремонтами и оптимальной межремонтной схемы необходимо решать в комплексе.

Эту задачу можно решить методом ДП. Однако, даже если она будет решаться с использованием современных быстродействующих ЭВМ, это приведет к значительным затратам машинного времени. Поэтому более рациональным будет такое решение поставленной гада-чи, при котором срок проведения капитального ремонта определя-

Теоретически возможные варианты схемы содержания пути

Рис. I

ется одним из методов нелинейного программирования, а схема содержания между, двумя капитальными ремонтами методом Ж Кроме того можно добиться сокращения вариантов исходя из того, что на ряде особо грувонапряженных участков не происходит значительного изменения грузонапряжённости по годам. Поэтому межремонтный цикл на таких участках не должен претерпевать изменений при переходе к следующему межремонтному циклу. При этом определенное количество вариантов схем содержания пути не будет рассматриваться. На рис. 1. эти варианты перечеркнуты одной линией. Общее число сокращения возможных вариантов схем содержания пути (N1) для таких участков составит:

N1 - "Л^иЧк-».1'1 (2) 1-1

где к- количество вариантов управлений,п-число лет эксплуатации.

На теоретически возможные схемы содержания железнодорожного пути должны быть наложены ограничения с точки зрения обеспечения безопасности движения поездов. На рис.1 сокращаемые в этом случае варианты перечеркнуты двумя линиями. На рис. 2 показаны возможные варианты с учетом приведенных выше допущений и ограничений при максимальном сроке между капитальными ремонтами пять лет.

Для определения эффективность управления и на шаге 1 необходимо 8нать в каком состоянии находится железнодорожный путь и как влияет это состояние и принимаемое управление на затраты, которые понесет железнодорожный транспорт в целом. Состояние системы или отдельных ее частей наилучшим образом можно описать с использованием теории восстановления. Основные предпосылки для этого заложены в работах д. т. н., проф. А. А. Босова.

Вопросы определения 8атрат, которые несет железнодорожный транспорт в части эависяией от пути исследовали Е И. Ангелей-ко.Н. П. Кондаков. В. И. Тихомиров. Г.Ы. Шахунянц. Е Я Шульга

Учитывая тот факт, что практически все отрасли и железнодорожный транспорт в частности переходят на договорные условия поставки материалов и рыночные цены, наиболее рациональным и правомерным является принятие суммарного экономического эффекта, полученного дорогой, в качестве основного критерия оптимизации системы ведения путевого хозяйства при обязательном соблюдении безопасности движения поездов.

Суммарный по годам расчетного периода экономический эффект

Возможные варианты схемы содержания пути с учетом допущений и ограничений

(Э ) определялся по формуле: - 1к

э-А^-^-Ч (3)

где Р^- стоимостная оценка результатов осуществления мероприятий варианта в году I расчетного периода; 3^- величина затрат на реализацию варианта схемы содержания году Ь расчетного периода; начальный и конечный

год расчетного периода; коэффициент отдаления затрат

Учитывая равенство результатов принятия различных вариантов при выборе оптимального варианта была использована только величина суммарных затрат. Вариант, имевший минимальные суммарные приведенные затраты будет экономически наиболее выгодным.

Суммарные затраты рассчитываются единообразно по формуле

где текущие издержки при принятии данного варианта управления в году I без учета амортизационных отчислений (эксплуатационные расходы); ежегодные отчисления на

восстановление конструкции в году I с учетом затрат на предоставление "окон" и возврата остаточной стоимости основных фондов;

Эксплуатационные расходы складываются из следующих составляющих: стоимости выполняемых промежуточных ремонтов: затрат на заработную плату монтерам пути, занятых на текущем содержании пути, с учетом начислений; ватрат на одиночную смену рельсов и скреплений с учетом их стоимости и затрат железнодорожного транспорта в связи с предоставлением "окон" на их замену и ограничений скорости движения поездов от момента обнаружения дефекта в рельсах до момента их замены; затрат на одиночную смену шпал; затраты на пополнение балласта; затрат, связанных с преодолением сил сопротивления движению поезда, в части зависящей от состояния пути; затрат, вызванных длительными ограничениями скорости движения поездов при возникновении дефектных мест в балластном слое (выплески, просадки.разжижения и т.п.).

В разработанных математических моделях зависимости нормы

расхода рабочей силы, объёма одиночной смены шпал, объёма балласта на пополнение балластной призмы, дополнительного сопротивления движению поезда, в части зависящей от состояния пути было учтено влияние типа и сроков промежуточных ремонтов, пропущенного тоннажа осевой нагрузки и плана линии.

Так дополнительное сопротивление движению поезда определялось по следующей зависимости

V Ур.(ехр[а.(Т-Тщ)] -ехр[а.(Тр-Тц)-н«р[МТр-Тщ)]+к«Т} (5)

где Ур- расчетное значение доли сопротивления для нового верхнего строения; Р- осевая нагрузка.кН; а-коэффициент характеризующий влияние пропущенного тоннажа на сопротивления зависимые от отсутствия промежуточных ремонтов; £ -коэффициент характеризующий влияние пропущенного тоннажа на сопротивления не "снимаемые" подъемочным ремонтом; Тр- пропущенный тонная после капитального ремонта до

последнего промежуточного ремонта; Тщ- пропущенный тонная после капитального ремонта до последнего среднего ремонта с очисткой шебня.

Опит эксплуатации и исследования 8ШШ8ННШ БО многих научных центрах показали, что основной причиной аварий и браков в путевом хозяйстве является изломы рельсов. Поэтому работе рельсов, как основных элементов посвящэмы третья и четвертая главы.

В третьей главе приведен анализ существующих моделей отказов рельсов, рассмотрено современное представление о разрушении рельсов. Еыбран закон распределения и предложена вероятностная модель отказов рельсов по дефектам усталостного и контактно-усталостного характера. Приведены методика проведения и результаты эксплуатационного статистического эксперимента. Выполнен многофакторний анализ результатов статистического эксперимента и произведена количественная оценка интенсивности потока одиночных отказов рельсов.

Долговечность рельсов является одним из главных факторов влияющих на сроки назначения гапиталъного ремонта пути и схему содержания пути в межремонтный период. Поэтому определении зависимости срока службы рельсов от различных факторов придавалось особое значение исследователей ВНИИЯТа, МИИТа, ЛИИЯТа, КИИЯГа, ВЗИИТа, БелИИЖТа, ДИИТа и др. вузов страны. Наиболее ценные работы

д. т. н. С. Е Амелина, М. Ф. Бериго, Ю. Д. Волошко, А. Ф. Золотарского. Е И. Карпущенко. А. а Когана, М.Е Смирнова. Г. М. Шахуняниа, К Я Шулъги, проф. Е П. Кондакова, к. т. н. ЕЕ Цуканова. И. А. Кудрявце • ва. Е С. Лысюка, Е И. Матвецова. Е Е Рыбкина, Г. И. Тарнопольского и др.

Предложено множество гипотез, моделей и приемов решения задачи оценки межремонтного ресурса и отказов пути. Такое количество предложений обусловлено отсутствием единой физической теории накопления повреждений и отказов, сложностью и многофакторностью процесса, и поэтому вполне оправдано. Явного противоречия между указанными предложениями нет и каждое из них может быть приемлемо для решения с некоторой условностью той или иной частной задачи в зависимости от целей расчета

Однако в ряде исследований использовался недостаточный объем статистического материала, в ряде исследования не учитывалась физика процесса и в результате функциональные зависимости нео-баснованно упрощались, не давалась оценка доверительных интервалов. аппроксимировались на определенном интервале, а затем экстраполировались на перспективные изменения факторов.

В настоящее время, когда хронически не хватает материалов, и рельсов в том числе, фактические сроки их службы увеличиваются. В этих условиях применение экспоненциальных зависимостей приводит к завышенной оценке количества отказывающих элементов.

Кроме того при определении влияния того или иного фактора не всегда применяется факторный анализ, который позволяет выделить наиболее значимые и отбросить несущественные.

Капитальный ремонт пути производится значительно раньше среднего срока службы рельсов. Учитывая этот, а также анализируя характер кривых функции распределения и параметра потока отказов (см. рис. 3) при сроке службы рельсов меньше среднего можно с достаточной достоверностью предположить, что функция интенсивности потока отказов рельсов примерно равна плотности нормального распределения отказов и имеет вид

ы(Т)-/0 р(Т)--1— .ехр(-(Т-Т)V2.fi*). (6)

где Т - средний срок бездефектной работы рельсов; Т - срок эксплуатации (пропущенный тоннаж); 6 - среднеквадратическое отклонение срока службы от среднего значения.

Средний срок службы в определенной мере характеризуется значением осевой нагрузки (см. рис. 4). Это вытекает при использовании модели Веллера для оценки усталостной прочности по максимальной наработке до разрушения из условия

N-Sm- const - Alt (7)

где б - максимальное напряжение в цикле; N - количество циклов до разрушения; п - коэффициент определяемый опытным порядком. Число циклов при постоянном значении осевой нагрузки связано со средним значением пропущенного тоннажа следующим соотношением

N - -f .10^. (3)

где Р - величина осевой нагрузки, кН.

Максимальные контактные напряжения пропорциональны нагрузке от колеса в степени 1/3.

6 - А2.(Р/2)}/3 (9)

Подставляя (8) и (9) в (7) получим следующее выражение

-J-.105. А^'СР/г)^3- const - Аь из которого следует

Т _ АмР_. _ А .

lAj-P/2)1.105 ^ПЙТЗЧТ •

3/(i!Y-3) (10)

Согласно исследований проведенных различными учеными при анализе воздействия на рельсы совокупности случайных осевых нагрузок необходимо использовать весь их спектр. Следовательно средний срок службы так же будет случайной величиной выражаемой через функцию распределения осевой нагрузки по следующей зависимости

с!Р I

f (Р) - f (Р) Т р

dT |

Используя выражения (jail 10) и СЗ. 14) получим

(И)

fJP) - f (Р). (ЗАш-З))^3 (12)

Т р А

В соответствии с гипотезой М. А. Майнера о независимости от-

дельных воздействий, функция распределения отказов рельсов (6) с учетом приведенных выкладок представлена в следующем виде

Т

у(Т)-/ (Т./(Р))- ГТ(Т) ■ (Т) «dP. (13)

о. р А р А о. р

'min

Описать закон распределения осевой нагрузки математическим выражением в виде непрерывной функции довольно сложно. Фактически молю получить только гистограмму осевых нагрузок. Поэтому

Т

сХТ)-Г ll.fi?))- Г'Т(Т) ЛМт-З» -Р"^ (Т) (14) о.Р Тт1Р А о.р

Зная фактические спектры осевых нагрузок на конкретных участках и соответствующий им параметр потока отказов можно получить неизвестные коэффициенты и параметры в выражении (14). Однако по имеющимся в настоящее вреют отчетным- данным получить Фактический спектр осевых нагрузок не представляется возможным. Наиболее доступным показателем.характеризующим спектр нагрузок в настоящее время может быть только средняя осевая нагрузка или расчетная эквивалентная нагрузки. Факторный анализ проведенный кафедрой пути ДИИТа также показал существенное влияние средней осевой наг. узки ьа интенсивность потока отказов. Таким образом, оценивая практичес|оде возможности путейских подразделений в выборе характеристики спектра осевых нагрузок, а также упрощая до определенных пределов, обеспечивающих достаточную точность практических расчетов, корреляционную зависимость среднего срока службы рельсов от осевой нагрузки прелагается следующая модель

Т - А - В.Рт (15)

где п - показатель характеризующий интенсивность влияния осевой нагрузки; А - коэффициент характеризующий максимальный средний срок наработки на отказ при минимальной осевой нагрузке.

В выражении (15) коэффициент А учитывает влияние интенсивности износа, качество металла, коррозии и др. факторов не зависящих или мало зависящих от осевой нагрузки.

Опыт эксплуатации, многочисленные исследования показывают, что существенное влияние на интенсивность потока отказов рельсов оказывает план линии, т.е. ее радиус или обратная ему кривизна.

Для практических расчетов вполне оправданно принятие следующей математической зависимости уменьшения среднего срока службы от радиуса R кривой

Т - А - В.Р"1- C/R (16)

где С - коэффициент характеризующий влияние радиуса на средний срок наработки на отказ.

С учетом выражения (16) зависимость функции интенсивности потока отказов рельсоз на 1 км для принятого периода эксплуатации можно записать в виде

UT)- «expC-ÎA- В'Р"1- C/R-T)' /2 • б2 ), (17)

б.12-Я

Неизвестные коэффициенты зависимости (17) били получены по результатам эксплуатационные наблюдения за отказами рельсов.

Опытные участки выбраны на основных направлениях Приднепровской и Одесской железных дорог обдай протяженностью 1665 км. На основном протяжении эти участки двухпутные с рельсами Р65, звеньевым путем, костыльным скреплением, деревянными шпалами, щебеночным балластом. Период наблюдений составлял 3-8 лет. За весь срок наблюдения отказало 8018 рельсов по дефектам и повреждениям.

Для получения исходных данных использована следующая первичная документация дистанций и служб пути железных дориг: подробные продольные профили, рельсо-ппально-балластные карты, ведомости учета рельсов, снятых с главных путей (форма ПУ-4),. годовые отчеты дистанций пути.

Для восстанавливаемой системы одним из основных показателей, характеризующих состояние надежности, является параметр потока отказов т. е, количество дефектных рельсов, замененных на одном километре отнесенных к единица пропущенного груза

Ni j к

îOi I И—- . , (18)

Uik'ATuk

где Ni I к - количество отказавших рельсов, вг. ; Lu к - длина наблюдаемого участка, км; iTuk - прарщнш пропущенного тоннажа, млн. т брутто; 1J, к - уровни исоледувмьас факторов осевой нагрузки, плана линии и пропущенного тоннажа.

В результате проведенной обработки Сила получены значения

го

параметра потока отказов рельсов для участков с различными значениями осевой нагрузки, пропущенного тоннажа и плана линии (табл. 1).

Таблица 1

Параметр потока отказов рельсов

Номер Средняя вари- осевая анта нагрузка. Средняя Пропущен-кривизна ный тон-участка. наж. м млн. т бр. Параметр потока отказов рельсов, шт. / Мг на 100 км

1 119 0.001647 150 0.4374

2 108 0.001605 250 0.4535

3 111 0. 001602 350 1.6064

4 127.8 0. 001631 450 2. 9419

5 1С5.6 0. 001262 150 0. 3593

6 105.3 0. 001264 250 0.1900

7 112.2 0. 001256 350 1.6590

8 111.9 0.000000 250 0.2569

9 119.6 0.000000 .350 1.1084

10 183.5 0. 001620 150 1.1184

11 184.6 0. 001618 250 1.8136

12 184.7 0. 001620 350 1. 9812

13 183.1 0. 001615 450' 3.1456

14 181.9 0. 001215 150 1.0115

15 181.2 0. 001216 250 1.2148 '

16 181.3 0. 001219 350 1.6701

17 177.5 0.001194 450 3. 0494

18 181.2 О.ОООСОО . 150 0.5525

19 182.1 0.000000 250 0. 8657

20 181.7 0.000000 350 1.2132

21 1^8.9 0.000000 450 2.1753

Для установления качественного влияния осевой нагрузки, плана линии и пропущенного тоннажа на параметр потока отказов рельсов был проведен трехфакторный дисперсионный анализ. Расчеты выполнялись на ЭВМ по разработанной автором программе.

Анализ показал, что значение осевой нагрузки и пропущенного тоннажа сусественно влияют на параметр потока отказов, влияние радиуса, при его значениях более 650 м, мене существенно.

Для определения неизвестных коэффициентов в модели использован банк данных об отказах рельсов на опытных участках. Методом наименьших квадратов в сочетании с другими методами оптимизации были получены параметры и коэффициенты уравнения (17): А-1178, В-1,39 •10"5,С-69б97 . т-3.06 Б-376 Среднеквадратическая ошибка при этом равна 0.002868 рельса на 1 км после пропуска 1 млн. т брутто груза

Интеграл зависимости (17) по пропущенному тоннажу дзет

суммарное количество отказавших рельсов за период эксплуатации в зависимости от осевой нагрузки и плана линии.

Основной целью четвертой главы было определенно критерия обеспечивающего надежную работу рельсов, как основного элемента верхнего строения пути, при воздействии подвижного состава с высокими осевыми нагрузками. Для этого был проведен анализ напряженно-деформированного состояния пути под графиковыми поездами с осевыми нагрузками до 280 кН. Величина осевой нагрузки определялась при малой скорости на станции отправления. Учитывая то. что у локомотивов неподрессоренная масса больше, чем у вагонов и вследствие этого воздействие на рельсы существенно отличается, отдельно проанализировано напряженно-деформированное состояние пути при воздействии локомотива BJI35 с осевой нагрузкой 250кН.

По результатам анализа динамических характеристик воздействия на путь графиковых поездов был сделан вывод о том, что динамическое воздействие на путь подвижного состава существенно зависит от статических осевых нагрузок. При этом интенсивность роста динамической осевой нагрузки намного больше интенсивности увеличения изгибных напряжений с ростом осевой нагрузки. Это объясняется изменением (увеличением) модуля упругости пути при увеличении осевой нагруокм. Следовательно решающим условием прочности для участков с высоким:! осевыми нагрузками для тяжелого типа верхнего строения пути являются не изгибиыо напряжения, которые существенно меньше допускаемых, а усталостные процессы, что согласуется с работал! А. Я. Когана, В. С. Лысюка и др.

Анализ воздействия электровоза ВЛ35 на путь тяжелого типа показал, что показатели напряженно-деформированного состояния пути не превышают обычно наблюдаемых на действующем пути величин при проходе широко эксплуатирующихся локомотивов.

Учитывая, что вертикальные воздействия !,' проходящих поездов и локомотивов носят циклический характер и при этом они не превосходят допускаемых величин был сделан вывод, что основным критерием, обеспечивающем надежную работу рельсов является усталостная и контактно-усталостная их прочность.

Пятая глава посвяшена практическому использованию предлагаемой методики для конкретных условий эксплуатации.

Для участка пути на дорошпшх шпалах и щебеночном балласте с рельсами типа Р65 и грузонапряженностью 130 млн. ткм Орутто/км в год были выполнены расчеты по определению оптимальной ромонт-

ной схемы, которые показали, что минимальные затраты будут при выполнении капитального ремонта через четыре года. В период между капитальными ремонтами необходимо назначить толысо средний ремонт пути через два года эксплуатации. При этом разница в приведенных затратах между стандартной схемой содержания и предложенной составляет 8.74 тыс. руб. /км, что составляет 7. 3%.

Для реализации предложенной методики определения затрат с учетом фшстического состояния пути, как системы, составлен план капитального ремонта пути для участков с просроченным капитальным ремонтам при ограниченных ресурсах с использованием ЭВМ. Эффективность использования предложенной методики составила 50.6 тыс. рублей. При этом существенно снижается влияние субъективного фактора при назначении ремонтов, уменьшается вероятность ошибки и значительно сокращается время составления плана ремонтных работ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Выполненные эклериментальные исследования воздействия современного и перспективного подвижного состава с высокими осевыми нагрузками показали, что характеристики напряженно-деформированного состояния верхнего строения пути исследуемого типа не превосходят допускаемых величин. Основным критерием, обеспечивакшм надежную работу рельсов, является усталостная и контактно-усталостная их прочность.

2. Ыногофакторный анализ " результатов выполненного эксплуатационного статистического эксперимента показал, что на интенсивность потока отказов рельсов кроме пропущенного по ним груза существенное влияние оказывают величина осевой нагрузки и кривизна, линии. При этом влияние всего спектра осевых нагрузок в первом приближении можно выразить через среднюю осевую нагрузку.

3. Разработана вероятностная модель потока отказов рельсов, которая позволяет прогнозировать количество отказов рельсов в зависимости от основных эксплуатационных фа]сторон (пропущенный тоннаж, осевая нагрузка, план линии) и может быть использована при оптимизации системы содержания пути, планировании ремонтов пути с учетом его состояния, определении сроков дефектоскопиро-вания рельсов.

4. Получена математическая модель влияния осевой нагрузки.

количества и сроков проведения ремонтов пути на дополнительное сопротивление движению поездов, зависящее от состояния пути. В основу модели легли положения теории восстановления. Данную модель можно использовать как при оптимизации схемы содержания пути, так и при определении расходов, зависящих от фактического состояния верхнего строения пути при составлении годового плана ремонтных работ.

5. Предложена методика оптимизации схемы содержания пути, основанная на использовании динамического программирования, математических моделей, описанных выше, и учитывающая фактическое состояние системы "железнодорожный путь". Данная методика позволяет оптимизировать не только межремонтную схему, но и сроки между капитальными ремонтами пути, а таюе определять оптимальную стратегию дальнейшего содержания пути при определенном его состоянии.

6. Пэ разработанной методике автором составлены алгоритмы и программы по определению оптимальной стратегии содержания системы "железнодорожный путь" и планировали» капитального ремонта в пределах дороги с учетом фактического его состояния при ограниченных материальных ресурсах на языке программирования TurboPascal для ЭВМ совместимых о IBM РС/КГ/АТ. Пакет программ передан службе пути Приднепровской ж. я. для внедрения и используется ею при планировании ремонтных путевых работ.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Волошко ¡й Д.. Липобский Р. С.. Пагласов А. М.. Трякин А. а . Уманов М. И., Цыганеико а Е Исследования по воздействию на путь электровоза ВЛ35 // Проблемы механики железнодорожного транспорта Повышенно надежности и совершенствование конструкции подвижного состава. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Днепропетровск: ДИИТ. -1988. -С. 70.

2. Рыбкин Е Е , Патласов А. М.. Климов Е И. Напряженно-деформированное состояние пути при воздействии вагонов с повышенной осевой нагрузкой // Проблемы механики <\слеэнодорожгюго транспорта Вэвыдание надежности и совершенствование конструкции подвижного состава Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Днепропетровск: ДИИТ. -1988. -С. 79.

3. Рыбкин Е Е . Патласов А. М. Прогнозирование надежности работы

рельсов по усталостной прочности в зависимости от осевой нагрузки подвижного состава// Методы и средства диагностирования технических средств железнодорожного транспорта Тезисы докладов Всесоюзной научно-практической конференции. -Омск: ОмИИТ. -1989. -С. 164. .

4. Рыбкин & В., Патласов А. Ы. Планирование ремонтов пути с учетом его фактического состояния // Пути технического перевооружения и модернизации железнодорожного транспорта Тезисы докладов ХУ1 научно-технической конференции кафедр ЕелИИЖГа и ДорНТО Белорусской железной дороги. Гомель: БелИ-ИЖГ. -1989. -С. 22.

5. Волошко XX Д., Липовский Р. С. .Патласов А. М.. Уманов М. И., Цы-ганенко В. Е Результаты исследования воздействия на путь и стрелочные переводы электровоза ВЛ85// Вопросы взаимодействия пути и подвижного состава : Межвуз. сб. научн, тр./ Днепро-петр. ин-т инж. ж.-д. трансп. Днепропетровск.-1989. -С.4-11.

6. Рыбкин В. Е , Климов Е И.. Патласов А..М.. Крутенко Ы. Г. Влияние осевой нагрузки вагонов на динамические показатели. напряженно- деформированного состояния элементов пути // Вопросы взаимодействия пути и подвижного состава в условиях интенсификации работы железнодорожного транспорта: Межвуз. сб. научн. тр. /Днепропетр. ин-т инж. ж. -д. трансп. Днепропетровск. -1989.-С. 9-15.

7. Рыбкин Е Е . Патласов А. М. КЬт^Ьатическая модель отказа рельсов по усталостным дефектам -//Вопросы взаимодействия пути и подвижного состава в условиях интенсификации работы железнодорожного транспорта: Межвуз. сб. научн. тр. / Днепропетр. ин-т инж. ж. -д. трансп. Днепропетровск. -1990. -С. 52-58.

8. Волошко Ю. Д. , Рыбкин Е Е . Патласов А. II Осевые нагрузки. Где предел?//Путь и путевое хозяйство.-1990.-С. 12.

9. Волошко Ю. Д., Патласов А. М. Совершенствование системы планирования ремонтов железнодорожного пути// Транссиб и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте. Новосибирск: НИШ.-1991.-С13-14.

10. Патласов А. М. Влияние осевой нагрузки, вида промежуточных ремонтов пути и сроков их проведения на сопротивление движению подвижного состава //Исследования взаимодействия пути и подвижного состава : Межвуз. со. научн. тр. / Днепропетр. ин-т инж. ж.-д. трансп. Днепропетровск.-1991.-С. 39-45.