автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Управление техническим состоянием верхнего строения пути

Министерство путей сообщения РФ Московский государственный университет путей сообщения

о ОД

На правах рукописи

- 9 ИЮЛ 1997

УДК 625.17:625.14:007:(07)

ФИЛИППОВ Владимир Михайлович

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ

05.22.6 - Железнодорожный путь

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва -1997

Работа выполнена в Самарском институте инженеров железнодорожного транспорта (СамИИТе)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор С.И. КЛИНОВ

доктор технических наук, профессор З.Л. КРЕИНИС

доктор технических наук, профессор В.И. НОВАКОВИЧ

Ведущее предприятие - Департамент пути и сооружений Министерства путей сообщения Российской федерации.

Защита диссертации состоится "^-У^юня 1997 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д 114.05.03 при Московском государственном университете путей сообщения по адресу: 101475, ГСП, Москва, ул.Образцова, д. 15, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения. Автореферат разослан мая 1997г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета профессор " Э.В. Воробьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Обеспечение безопасности движения: поездов и улучшение экономического положения являются первоочередными проблемами железных дорог. В приказе МПС РФ N121], от 16.08.94г. определены основные направления их решения в путевом хозяйстве на основе повышения технического уровня и внедрения ресурсосберегающих технологий. Одно из направлений связано с внедрением планирования ремонтов верхнего строения пути (ВСП) на основе показателей его фактического технического состояния.

Планирование сроков и видов ремонтных работ является одним из важных этапов управления техническим состоянием ВСП. При комплексном подходе важно совершенствовать средства диагностики, перечень диагностических признаков и показателей разных видов технического состояния ВСП, расчетные методы оценки изменения состояния, необходимо обеспечить прогнозирование состояния ВСП и др. В целом совершенствование управления техническим состоянием верхнего строения в условиях эксплуатации направлено на обеспечение содержания пути на уровне современной техники и на повышение безопасности движения.

Цель исследования состоит в разработке комплекса научно-обоснованных решений по повышению эффективности содержания эксплуатируемого верхнего строения пути (ВСП) на основе современных информационных технологий, методологии оптимального управления и системного подхода.

Методика исследования определяется принятой в работе трактовкой содержания ВСП, как процесса управления состоянием сложной технической системы.

В основу анализа управления техническим состоянием пути положены методологические принципы современной теории автоматического управления и теории систем. Использовались положения и методы общетехнической теории технической эксплуатации сложных систем, статистической строительной механики и теории надежности.

Для многовариантных расчетов по оценке технического состояния ВСП при различных эксплуатационных и конструкционных условиях использовались реализованные на ЭВМ вероятностные расчетно-аналитические модели состояния конкретных участков ВСП.

При оценке достоверности аналитических моделей использовались результаты статистических экспериментов на конкретных главных путях важнейших железнодорожных направлений общей протяженностью около 4000 км.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:

- обобщены методологические принципы оптимизации управления техническим состоянием верхнего строения пути, как сложной технической системы;

- разработана на ЭВМ полуэмпирическая расчетно-аналитическая модель технического состояния верхнего строения эксплуатируемых главных путей конкретного железнодорожного направления, как автоматизированное средство исследования его эксплуатационной надежности в изменяющихся условиях эксплуатации;

- разработаны новые вероятностные методы и алгоритмы прогнозирования эксплуатационной надежности ВСП, реализованные на ЭВМ, впервые учитывающие в явном виде эксплуатационный спектр динамических нагрузок на путь от колес подвижного состава, а также зависимости лидирующих повреждений пути от величины и количества воздействий;

- разработана методика исследования допускаемых значений критериев предельных (предремонтных) состояний участка ВСГ1 одного года укладки с одинаковыми по длине конструкционными и эксплуатационными характеристиками (далее однородный участок (ОУ) ВСП) во взаимосвязи со среднегодовыми значениями объемов ремонтов и количества отказов ВСП в пределах данного железнодорожного направления;

- получены зависимости основных показателей работоспособности и объемов ремонтов ВСП от важнейших эксплуатационных факторов;

- разработана концепция автоматизированной диагностической

подсистемы верхнего строения пути (АДП), как нового технического средства управления состоянием ВСП.

Практическая ценность работы. Разработанные в диссертации методология и модели представляют основу для создания штоматизированной подсистемы управления техническим состоянием ВСП.

При внедрении результатов работы снижается на 10-15 процентов одовое количество отказов верхнего строения пути при тех же годовых )бъемах ремонтных ресурсов и прочих условиях. Это обеспечивается за ;чет учета и прогнозирования фактического состояния каждого участка ЗСП в пределах направления или дороги.

На защиту выносятся:

- системный подход к исследованию технической эксплуатации *ерхнего строения пути и совершенствованию информационной технологии выработки решений о сроках ремонтов ВСП;

- методология оптимизации управления техническим состоянием

ЗСП;

- полуэмпирическая прогнозирующая модель состояния ВСП по пздирующим отказам;

- концепция и принципы проектирования автоматизированной щагностической подсистемы ВСП, как средства выработки рекомендаций по организации его технической эксплуатации.

Реализация работы. Работа является частью исследований, троводимых в соответствии с отраслевыми научно-техническими трограммами (Указание МПС N608 от 10.03.86г. по разработке научно-)босновашюй системы ведения путевого хозяйства на линиях с высокой грузонапряженностью; Указания МПС N1531, N1-21450, N1324 от 1985г.,№Г-8175 от 18.03.86г. по увеличению осевых нагрузок годвижного состава; Указание МПС Ш459-у от 18.12.85г. по /величепшо средней технической скорости движения). В течение ряда тет исследования реализовывались в НИР, проводимых по заказам служб тути Куйбышевской и Южно-Уральской железных дорог. Результаты работы использованы в техническом задании на корректировку тформационно-справочной системы АСУ-путь.

Использованы при разработке Указаний по системе ведения путе-

вого хозяйства на участках с высокой грузонапряженностью (утв. ЦП МПС 15.10.84); приказа МПС 12Ц от 16.08.94г.; в техническом задании на разработку бортовой автоматизированной системы (БАС) оценки состояния пути для путеизмерительного вагона ЦНИИ-2 (утв.ЦП МПС 21.01.91), в техническом задании на бестросовый компьютеризированный путеизмерительный вагон (утв.ЦП МПС 20.07.93); в технических условиях на стыковку АРМ диспетчера дистанции пути с бортовыми автоматизированными системами передвижных диагностических средств (Утверждены ЦП МПС 15.06.94); в техническом задании на программное обеспечение бортовой автоматизированной системы путеизмерительной автомотрисы АП (утв.ЦП МПС 27.06.94г.; в Дополнениях к техническим условиям по расшифровке путеизмерительных записей (ТУ-81) (утв.07.08.96г.).

На Куйбышевской железной дороге внедрен комплекс автоматизированных задач анализа и прогнозирования одиночного изъятия рельсов, позволивший при тех же годовых объемах капитального ремонта пути на 10-15 процентов уменьшить годовое количество остродефектных рельсов за счет учета и прогнозирования состояния верхнего строения пути по одиночному изъятию рельсов.

Экспертная система по мероприятиям, выполняемым при обнаружении дефектов в рельсах в соответствии с каталогом НТД/ЦП-2-93, разработанная по алгоритмам и при участии автора, одобрена координационным советом по АСУ-путь МПС РФ и внедрена на Куйбышевской ж.д.

Бортовая автоматизированная система (БАС) путеизмерительного вагона, в разработке которой принимал участие автор, принята комиссией МПС и в настоящее время изготавливается серийно. Задание по тиражированию этой системы включены в Государственную программу безопасности движения поездов на железных дорогах РФ на период до 2000г. (приказ МПС 19Ц от 01.06.92) и в приказ МПС 12Ц от 16.08.94г.). По техническим заданиям автора и при его непосредственном участии разработано информационное и программное обеспечение режима подготовки и обработки информации БАС КВЛ-П (создание и ведение базы паспортных данных проверяемых путей, подготовка маршрута проверки пути, создание и ведение базы результатов

измерений и получение выходных форм), а также обеспечение сопряжения БАС с АРМами дистанций и службы пути.

Концепция мониторинга и управления техническим состоянием главных путей дороги, разработанная автором на основании выполненного исследования (утв.НГ 25.07.96г.), принята на Куйбышевской Ж.д.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на НТС отделения путевого хозяйства ВНИИЖТа (Москва, 1986г.), на НТС рельсовой лаборатории отделения путевого хозяйства ВНИИЖТа (Москва, 1984г.), на расширенном совещании лаборатории комплексных технико-экономических исследований отделения путевого хозяйства ВНИИЖТа (Москва,1983г.), в лаборатории надежности и долговечности ГНИИНмаш АН СССР, (Москва, 1986г.), на Всесоюзной н.-т. конференции "Проблемы улучшения системы ведения путевого хозяйства ж.д." (Калуга, 1985г.), на Всесоюзной н.-т. конференции "Новые принципы ультразвуковой дефектоскопии" (Ленинград, 1986г.), на Всесоюзной н.-т. конференции по диагностике технических средств транспорта (Москва, ВДНХ,1987г.), на межвузовских н.-т. конференциях по путевому хозяйству и автоматизированным системам испытания объектов ж.-д. транспорта (НИИЖТ,1982г.; ХИИТ, 1984г.; МИИТ, 1985,1988г.; СамИИТД983-1988г.), на технико-экономическом совете Южно-Уральской ж. д. (Челябинск, 1984г.), на техническом совещании ВЦ и службы пути Куйбышевской ж.-д.(Куйбышев, 1983г.); сетевых семинарах "Применение автоматизированных систем и вычислительной техники в путевом хозяйстве" (Новосибирск, 1991г.; Москва, 1989г., 1991г.,1994-95гг.); на научно-техническом совете СамИИТа, 1988г.; на заседаниях кафедр "Путь и путевое хозяйство" СамИИТа (1988, 1993,1996гг.), НИИЖТа,1989-90гг„ МИИТа (1994, 1997гг).

Комплекс автоматизированных задач по оценке и прогнозированию технического состояния рельсов, как один из результатов работы, награжден серебряной медалью ВДНХ СССР в 1987г. и дипломом ВВЦ РФ в 1994г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 33 печатных работах, список которых прилагается в конце автореферата.

2-889

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения пяти глав, выводов, списка использованных источников (19' наименований) и приложений. Объем работы - 205 странш машинописного текста, иллюстрированного рисунками и таблицами.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность и цель работы, отме чаются основные положения диссертационной работы, которьи выносятся на защиту, приводится схема проведения исследованиз (Рис. 1).

ПЕРВЫЙ раздел диссертации в связи с поставленной цельк посвящен анализу основной задачи теории технической эксплуатацш пути и конкретизации объекта исследования. В разделе анализируются общие тенденции развития технической эксплуатации, в том числ< технической эксплуатации пути, формулируются методологические I методические требования к исследованию и организации оптимально« управления техническим состоянием пути.

Определения и виды технического состояния приняты по ГОСТ 19919-74 и ГОСТ 27.002-83. Работоспособным считается состояние пути при котором обеспечивается безопасное и плавное движение поездов с< скоростями, установленными на данном участке. Предельны« (предремонтные) состояния связаны с выработкой ресурса первоначальн< уложенных групп рельсов, шпал, скреплений, балластного слоя I характеризуются либо их предельным износом, либо недопустимо! интенсивностью возникновения дефектов. При наступлении предельной состояния данного вида производится соответствующий ремонт ВСП. I работоспособном состоянии путь может бьггь исправным и несправным К граничным поверхностям, разделяющим пространства состояния н; подпространства, относятся: граничная поверхность неисправностей граничная поверхность отказов и граничная поверхность предельны; состояний.

Для железнодорожного пути граничные области задаюто допускаемыми параметрами состояния в функции от важнешш» эксплуатационных факторов или класса пути. В работах В.Н.Данилова

Рис. 1. Схема проведения исследований

В.С.Лысюка и других предлагается дополнительно подпространство неработоспособности разделять на два дополнительных: частично работоспособное при действии предупреждения на ограничение скорости и полностью неработоспособное, если движение остановлено.

В настоящее время в исследованиях отечественных ученых и инженеров достаточно полно классифицированы лидирующие неисправности и отказы верхнего строения пути. Разработана и действует стройная система текущего содержания и ремонтов ВСП, благодаря которой непрерывно обеспечивается работоспособное состояние пути и безопасность движения поездов.

Фундаментальный вклад в создание этой системы внесли творческие коллективы ВНИИЖТа, кафедр "Путь и путевое хозяйство" МИИТа, ВЗИИТа, ЛИИЖТа, НИИЖТа, ДИИТа, РИИЖТа, ХИИТа, БелИИЖТа и другие.

Вопросы повреждаемости и обеспечения работоспособности ВСП исследованы в работах В.Г.Альбрехта, Г.Г.Амеличева, С.В.Амелина, В.И.Ангелейко, Г.Е.Андреева, В.Ф.Афанасьева, В.Ф.Барабошина, Г.Г.Бассарского, К.А.Блохина, М.С.Боченкова, Е.М.Бромберга, Е.С.Варызгина, М.Ф.Вериго, Н.П.Виногорова, Э.В.Воробьева,

A.И.Гасанова, А.М.Голованчикова, В.А.Гршценко, В.Н.Данилова, Л.М.Дановского, О.П.Ершкова, Н.Б.Зверева, А.Ф.Золотарского, К.С.Исаева, В.Б.Каменского, Н.И.Карпущенко, С.И.Клинова, А.Я.Когана, Н.Д.Кравченко, З.Л.Крейниса, Л.Г.Крысанова, Н.П.Кондакова,

B.А.Лаптева, И.Б.Лехно, В.С.Лысюка, Л.П. Мелентьева, В.И.Новаковича, В.О.Певзнера, С.П.Першина, Н.В.Петрова, В.Л.Порошина, С.П.Попова, О.С.Скворцова, М.П. Смирнова, В.И.Стельмашова, В.И.Тихомирова, В.Ф.Федулова, П.П.Цуканова, М.А.Чернышева, Г.М.Шахунянца, В..Я.Шульги и многих других известных ученых и инженеров.

Целью управления техническим состоянием верхнего строения пути считается обеспечение наибольшей работоспособности пути при ограниченных ремонтных ресурсах или обеспечение заданных показателей его работоспособности при минимизации затрат на техническую эксплуатацию с учетом потерь от задержек поездов.

Управление техническим состоянием производится в период эксплуатации железнодорожного пути. Системой управления является

и

система текущего содержания и ремонтов пути.

Собственно управление техническим состоянием пути рассматривается, как процесс формирования и реализации ремонтно-восстановительных (управляющих) воздействий на путь с целью обеспечения его работоспособности.

Возможность трактовки путевых работ и ремонтов пути, как управляющих воздействий на путь, впервые рассматривалась в работах К.С.Исаева, Ю.М.Щекоткова и З.Л.Крейниса.

Толкование технической эксплуатации, как процесса управления состоянием объекта, принято в настоящее время в ведущих отраслях техники. Оно позволяет сосредоточиться на технологии выработки оптимальных решений по обеспечению работоспособности пути.

Задача оптимизации системы содержания пути впервые сформулирована и исследована в работах проф. Г.М.Шахунянца и Н.П.Кондакова. Значительное развитие аналитические методы оптимизации ряда управляющих решений в практике путевого хозяйства получили в работах проф.В.И.Тихомирова, В.Я.Шульги, В.М.Янина и других исследователей.

Одним из общих выводов этих исследований и современной теории автоматического управления (СТАУ) является вывод о том, что для подобных практических сложных систем невозможна оптимизация управления чисто математическими методами. Для приближения управления к оптимальному в этих случаях в СТАУ рекомендуется соблюдать ряд требований методологического характера.

Современный уровень развития науки и техники создает новые возможности для повышения эффективности путевого хозяйства. В частности, такими возможностями обладает информатика. Концепция системы содержания пути, как системы управления, способствует реализации этих возможностей. В этой системе одним из основных управляющих решений, которое определяет как уровень безопасности, так и уровень затрат, является решение о текущем состоянии пути и сроке и виде необходимых путевых работ и ремонтов.

Совершенствованию управления состоянием верхнего строения пути посвящены зарубежные исследования, выполненные H.Baluch, A.Sernrau, A.M. Zarembski, T.R.Wells, Y.Sato, L.Pendrich, A.Fasio, A.

3-889

Hamid, V.Herbst, C.Esveld, J.Olney, M.Rousse и др. По выводам комитете D37 ORE, совершенствованию системы содержания пути на базе ЭВМ v современной диагностической техники в 90-х годах должно бьш уделено то же внимание, какое традиционно уделяется совершенствованию конструкции пути и технологии путевых работ.

Анализ отечественных и зарубежных источников показывает общность тенденций совершенствования системы содержания пути, как системы управления его состоянием. Эти тенденции тесно связаны со следующими направлениями исследований:

- совершенствование комплекса критериев технического состояния различных видов и методов их определения (измерения);

- разработка аналитических моделей технического состояния объектов обслуживания;

- разработка методов и средств индивидуального прогнозирования технического состояния объектов ТОкР;

- оптимизация сроков ремонтов.

Заметна определенная аналогия этих направлений с элементами алгоритма выработки управляющего сигнала, известного в СТАУ и в теории решений. Применительно к ВСП укрупненная схема этого алгоритма приведена на Рис. 2. Реализуется он в органе управления системы содержания пути.

В разделе приводится классификация признаков, по которым верхнее строение железнодорожного пути можно отнести к сложным системам.

Этим признакам удовлетворяет верхнее строение пути отдельного железнодорожного направления (ЖН). Протяженность главных путей ЖН определяется из условия достаточной статистической совокупности уложенных участков верхнего строения пути с однородными характеристиками по длине (ОУ ВСП). ВСП ЖН, в отличие от ОУ ВСП не имеет предремонтного (предельного по ГОСТ 27.002-83) технического состояния.

Подход к пути не только как к конструкции, но и как к сложной динамической системе, состояние которой непрерывно меняется во времени под влиянием внешних воздействий, в том числе управляющих ремонтных рассматривался, в работах З.Л. Крейниса, Л.Г. Крысанова,

А.В.Гавриленкова и других исследователей.

Путевые работы ' текущего содержания <—э»

___путн______]

Измерение (наблюдение)

Планирование текущего содержания _пути_

Исполнение ремонтов

£

Распоряжение по Оценка фактического

неотложным состояния Планирование

путевым и остаточного ремонтов пути

работам ресурса пути

♦ N ' _ ...

Прогнозирование Аналитическая Прогнозирование

неисправностей М— модель остаточного ресурса

и отказов пути | состояния пути элементов пути

Рис. 2. Укрупненный алгоритм выработки решений о путевых работах и ремонтах

ВСП

Применительно к земляному полотну этот подход рассматривается в работах Т.Г.Яковлевой, Г.Г.Коншина, В.В. Виноградова, В.И.Грицыка.

При практической оценке для ВСП среднегодового (нормативного) объема ремонтов данного вида на главном пути ЖН применяется известная эмпирическая формула

ГсЛ

¡¥ = -2- (1)

^ и

где IV - среднегодовой объем ремонта данного вида; Гср- средняя грузонапряженность, ¿-протяженность главного пути направления. Т„ -средняя межремонтная норма наработки тоннажа,

В разделе формула (1) получека на основании теоремы Блекуэлла, известной в теории восстановления. Из чего сделан вывод, что в частном глучае поток предельных состояний ОУ ВСП (последовательность соответствующих видов ремонтов пути) в пределах главного пути направления можно рассматривать, как поток восстановлений. В этом глучае принимается предположение, что предельное состояние ОУ ВСП

(при котором необходим ремонт) для системы ВСП ЖН имеет смысл отказа.

Недостатком расчетов по формуле (1) является неопределенность показателей работоспособности ВСП ЖН, который обеспечивает данный объем ремонтов РГ. В условиях существенного изменения эксплуатационных и конструкционных факторов пути и подвижного состава эта задача становится актуальной.

К числу известных показателей работоспособности ВСП ЖН относится удельное годовое количество отказов пути в пределах направления (например, в шт/100км).

В работе предлагается в качестве одной из основных задач теории технической эксплуатации верхнего строения пути считать разработку методов оптимизации каждого этапа алгоритма выработки решений по управлению его техническим состоянием (см. Рис. 2) в конкретных условиях эксплуатации с учетом существующих ограничений. К этим этапам, согласно ТАУ, относятся: измерение (наблюдение); оценивание состояния; идентификация объекта (построение аналитической модели его состояния); прогнозирование состояния; выбор и оптимизация управляющего решения; передача управляющего решения в исполняющий орган (регулятор). Для пути таким регулятором является путеремонтное производство. Этот алгоритм непрерывно реализуется в эксплуатации.

На основе положений и выводов теории технической эксплуатации сложных систем, современной теории автоматического управления, статистической строительной механики и теории надежности в разделе сформулирован ряд методологических требований к оптимизации системы содержания и ремонтов пути. К их числу относятся:

а) оптимизация управления состоянием ВСП предполагает прогнозирование состояния вероятностностатистическим методом с помощью прогнозирующих моделей на ЭВМ.

б) железнодорожный путь относится к числу сложных систем, для которых существует зависимость вероятности достижения выбранной конечной цели от конечного состояния системы Вк=В{х{1к)], где 1к -конечный момент времени. Целевая функция управления в этом случае имеет вид У3=-Вк, которая минимизируется по -Вк, где -Вк имеет смысл

вероятности отказа Вту. Это определяет необходимость применения в исследовании управления состоянием пути вероятностных методов теории надежности.

В работах В.В.Болотина вероятность отказа рассматривается, как основной критерий для оценки предельного состояния механических объектов (конструкции). В диссертационной работе показано, что известные показатели предельных состояний ВСП являются статистическими аналогами вероятности отказа или неисправности. К ним относятся: удельное одиночное изъятие рельсов, процент протяженности пути с неисправностями рельсовой колеи, процент негодных шпал, скреплений и т.п.;

в) управление и прогнозирование в эксплуатации должно быть индивидуальным, то есть осуществляться индивидуально для конкретных участков ВСП (ОУ);

г) оптимизация управления невозможна без учета как априорной, так и апостериорной (текущей) информации о техническом состоянии пути. При этом одним из средств учета априорной информации являются аналитические модели, учитывающие закономерности старения ВСП и связывающие вероятностные параметры состояния с нагрузками, геометрическими параметрами конструкции и свойствами материалов;

д) условия перехода технического состояния ВСП из одного вида в другой выражаются системой неравенств л, >[*,], где х, является элементом пространства состояний с фиксированными допускаемыми значениями параметров состояния, при обосновании которых учитываются затраты на управление (текущее содержание и ремонты);

е) вариантом априорной оптимизации управления является применение допускаемых значений параметров состояния пути, оптимизированных в предварительных исследованиях по экономическим и техническим показателям;

ж) оптимизация управления состоянием такой сложной системы, как ВСП, невозможна чисто математическим или расчетным способом.

Она достигается в конечном счете за счет творческой деятельности человека.

В числе других рекомендаций методического характера подчер-

4-Й89

кивается необходимость задания предельных состояний пути допускаемыми вероятностями отказов или их статистическими аналогами; отказов - допускаемыми техническими показателями конструкции, превышение которых приводит к потере работоспособности; повреждений - комплексом требований нормативно-технической документации, нарушение которых не приводит к потере работоспособности.

С учетом разработанных в разделе методологических и методических требований к исследованию основной задачи управления техническим состоянием верхнего строения пути были выбраны объекты исследования и содержание других разделов диссертации. В качестве объектов исследования были выбраны однородные первоначально уложенные участки ВСП и ВСП главного пути в пределах направления.

Во ВТОРОМ разделе разрабатываются расчетные методы вероятностной оценки технического состоянт первоначально уложенного участка верхнего строения пути с учетом закономерностей накопления повреждений пути в зависимости от величины и количества динамических нагрузок на путь.

Разработке методов расчета пути на прочность при действии динамических нагрузок от колес подвижного состава посвящены работы В.Г.Альбрехта, С.В.Амелина, Г.Е.Андреева, В.Ф.Барабошина,

Е.М.Бромберга, М.Ф.Вериго, Ю.Д.Волошко, А.И.Гасанова,

B.Н.Данилова, О.П.Ершкова, А.Я.Когана, С.С. Крепкогорского, Н.И.Кудрявцева, В.А.Лазаряна, А.А.Львова, Н.П.Петрова, С.Н.Попова,

C.П.Першина, М.П.Смирнова, М.А. Фришмана, Г.М.Шахунянца, В.Ф.Яковлева и др.

Основы вероятностного подхода к расчетам динамических нагрузок на путь заложены Н.П.Петровым и значительно развиты в работах М.Ф.Вериго, А.Я.Когана, Г.М.Шахунянца.

Развитию методов вероятностной оценки повреждений верхнего строения пути и приложений методов теории надежности к решению задач его технической эксплуатации пути посвящены работы О.П.Ершкова, В.Н.Данилова, А.Я.Когана, З.Л.Крейниса, В.С.Лысюка, Н.И.Карпущенко, В.О.Певзнера, В.И.Тихомирова, Е.А.Шура, Е.С.Варызгина, В.С.Гресько, ИВ. Полещук, О.С.Скворцова,

В.И.Стельмашова, Ю.П.Сырешцикова, Г.И.Тарнопольского,

В.Ф.Федулова, А.К.Шафрановского, Ю.Ф. Шварца, Ю.М.Щекоткова, H.Baluch, A.Semrau, M.lkemori, A.M. Zarembski, T.R.Wells, A.Fasio,

A.Hamid, и др.

Известны методы оценки прочности пути по лидирующим повреждениям ВСП, учитывающие нагрузки от колес подвижного состава и число их действия, разработанные А.Я.Коганом,

B.М.Гавриловым, В.С.Лысюком, О.С.Скворцовым, Г.И.Тарнопольским, При разработке вероятностной модели ОУ ВСП в диссертациошюй

работе функция накопления остаточных повреждений ВСП принята в виде

h = F(P,n,a) (2)

где Р-динамическая нагрузка на путь от колеса, «-количество воздействий этой нагрузки за срок службы, я-параметр сопротивляемости повреждению.

Эксплуатационный спектр динамических нагрузок на путь моделируется с помощью вероятностного распределения "смеси", известного в математической статистике. Плотность вероятности нагрузки Рк в этом спектре определяется, как

Фк]=^ Ы+^ %«ifdpk\ <3)

где cij- доля по числу осей подвижного состава данного типа в вагонопотоке; /, - плотность вероятности распределения нагрузок от колес подвижного состава /-ого типа; а3 и ал- доли дней в году, соответственно, с замерзшим и оттаявшим балластным слоем; с - число типов подвижного состава, проходящего по участку. Для подвижного состава одного типа вероятностное распределение нагрузок принимается нормальным. Параметры этого распределения вычисляются по Правилам производства расчетов пути на прочность в части определения динамических нагрузок на путь. За расчетную скорость движения в первом приближении принята средняя техническая скорость.

Возможность применения распределения "смеси" для моделирования эксплуатационного спектра динамических нагрузок на путь отмечалась в работах М.Ф.Вериго. Из-за большой трудоемкости вычисления по формуле (3) предпочтительно выполнять на ЭВМ.

Соответствие расчетных и экспериментально измеренных спектров динамических нагрузок проверено автором на эксплуатируемых участках пути. Характерная многомодальная форма эксплуатационного спектра динамических нагрузок на путь от колес подвижного состава подтверждена в независимых исследованиях Л.П.Мелентьева и А.Н.Грановского.

Вероятностная оценка повреждения или отказа пути получается на основе вероятностного толкования условия разрушения по

А.Р.Ржаницину. При этом удается также учесть требование о явном учете характеристик сопротивления материалов разрушению.

Условие разрушения по А.Р.Ржаницину

г-Я< 0, (4)

где г - параметр прочности п д - параметр нагрузки рассматриваются, как случайные величины.

Это условие в расчетах железнодорожного пути первым использовал С.П.Першин для вероятностной оценки статической прочности рельсовых плетей бесстыкового пути.

Вероятность отказа при применении условия (4) рассматривается, как вероятность отрицательных значений Я = г-д.

Воак = Вер{Я<0) (5)

При известных параметрах вероятностных распределений параметра прочности и параметра нагружения эта вероятность вычисляется по правилам теории вероятностей.

Другой способ получения вероятностной оценки повреждения связан с определением вероятностного распределения срока службы элементов пути по данному повреждению. В этом случае вероятность отказа вычисляется, как вероятность того, что срок службы N данного элемента пути будет меньше заданного,

Вотк=Вер{Ы<Ы). (6)

Для параметрической надежности пути (для случая оценки повреждений рельсовой колеи, износа элементов верхнего строения пути, ослабления прикрепителей и т.п.), отказ или повреждение вызваны выходом параметра состояния за пределы допуска. В этом случае в условии (4) параметр прочности имеет смысл этого допуска, а параметр

нагрузки заменяется контролируемым параметром пути. Для оолыпинства таких повреждений справедливо предположение о нормальном характере их вероятностного распределения по длине пути. В этом случае квантиль нормального распределения и, соответствующий вероятности повреждения (отказа) за данный срок службы, находится из уравнения

И-(д + м5Г,) = 0, (7)

где <7 и - соответственно, математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение измеряемого параметра. В данном случае они являются функциями многих влияющих факторов. В длительных эксплуатационных статистических экспериментах для совокупности сечений данного однородного участка ВСП в определенных условиях эксплуатации можно определить аналитический вид веерной функции параметра от пропущенного тоннажа Т в виде

<7 = Г(Т) (8а)

^ = Ф{Т)

При обработке экспериментальных данных учитываются погрешность измерений данного параметра 6 и начальное его значение с1, характеризующее качество последнего ремонта. Измеренные остаточные повреждения ц рассматриваются, как совокупность трех случайных, в первом приближении, независимых величин <7,, с1 и 6, где - собственно остаточное повреждение, зависящее от пропущенного тоннажа. С учетом этого обстоятельства (8) имеет вид:

д = + 5 + 5 (9а)

5Нмг)]2(9б)

Результаты экспериментальных наблюдений за накоплением остаточных повреждений пути в виде (9) рассматриваются, как промежуточные. Конечной целью является определение зависимостей д и от динамической нагрузки и числа ее воздействий.

Зависимость параметра от динамической нагрузки и числа ее действий принимается в виде суммы повреждений от каждой действующей нагрузки.

5-859

с р .

1 щщ

где Ртах и Ртп - соответственно, максимальное и минимальное значения динамической нагрузки от колеса в эксплуатации, Рк - динамическая нагрузка на путь от колеса;

т - показатель степени (в первом приближении const), пк - число действий нагрузки Рк за данный срок службы, т] - коэффициент интенсивности повреждений. Число воздействий данной нагрузки за срок эксплуатации определяется по формуле

пк=1-В(Рк) (11)

'ср

где Рср - средняя осевая нагрузка на поездоучастке, В(Рк)- вероятность появления .нагрузки РК в эксплуатационном спектре нагрузок на данном поездоучастке. При замене непрерывной функции эксплуатационного распределения динамических нагрузок ступенчатой с шириной ступени АР она определяется, как

B(Pk) = f(Pk)AP. (12)

Коэффициент q характеризует интенсивность повреждения и зависит от конструкции и состояния верхнего строения пути. Он является случайной величиной, поскольку интенсивность накопления повреждений вдоль пути меняется случайным образом для одной и той же конструкции пути и тех же условиях эксплуатации. -

При вероятностном толковании зависимость (10) имеет вид

q/T~4P"nk (13а)

Р ■

шо

р

' max

sq= s v/Ч (136)

^min

где q - математическое ожидание параметра, Sq среднеквадратическое отклонение. С учетом (И) и (12)

— Т ^max , v

? = I/(P*)ifAP (На)

Ср Рrun

Г

^ср ^шт

В работе предложен способ определения этой зависимости для конкретных видов лидирующих повреждений пути.

Например, для остаточных осадок пути, измеренных по одной рельсовой нити, зависимость (86) имеет вид

(15) начала

Sq - аТ +ЬГ + с

где а, Ъ, с - const. Приравнивая (15) эксплуатации при Т=0 получим

и (96), для

Из (96)

-=Js2d+s23

и=^

(16)

Если 59 имеет вид (15), то ряд значений, вычисленных по (16), аппроксимируется функцией

+ рТ)Т, (17)

где g и р- постоянные. Из совместного решения (17) и (146)

где е - постоянная для данной конструкции ВСП

е-

шах . .

(18)

(19)

Эта постоянная имеет смысл механической характеристики сопротивляемости данной конструкции пути данному виду накапливающегося повреждения. Для ее определения необходимо в эксперименте по изучению накопления повреждений данного вида, кроме зависимости (16), получить эксплуатационный спектр динамических нагрузок на путь на участке эксперимента.

В первом приближении принято, что постоянная "е" не зависит от параметров грузопотока и эксплуатационного спектра динамических нагрузок для данной конструкции пути.

Вычислены количественные значения р и е в (19) для остаточных осадок пути по результатам длительных натурных наблюдений, выполненных А.А.Ильяшенко под методическим руководством О.ПЕршкова. Для звеньевого пути с рельсами типа Р75 деревянными шпалами и трехслойной балластной призмой с асбестовым покрытием р=0,00125 и е=1,167-Ш5 при измерении пропущенного тоннажа в млн т бр. средней осевой нагрузки в тоннах, динамических нагрузок на путь в кН и остаточных осадок в мм. Для бесстыкового пути с рельсами Р65, железобетонными шпалами и щебеночным балластом р=0,0015\ е=2,6087-10'5. По данным ВНИИЖТа, показатель степени т в (10) для остаточных осадок пути равен 2^6.

При этих значениях расчетных параметров зависимости среднеквадратического отклонения остаточных осадок пути Бч от пропущенного тоннажа, полученные расчетом по формулам (146) и (96), практически совпадают с экспериментальной зависимостью (Рис. 3).

100 200 300 400

Пропущенный тоннаж, -млн т бр

Рис. 3. Зависимость неравномерности остаточных осадок пути от пропущенного

тоннажа

• - по экспериментальным данным; 1 - по результатам вероятностного расчета.

(Участок пути: грузонапряженность 120 млн ткм бр./км в год; рельсы Р75, шпалы деревянные, балласт - щебень с асбестовым покрытием)

После последней сплошной подбивки среднеквадратическое отклонение (качество ремонта) было равным 2мм, погрешность измерений остаточных осадок равна 0,5мм. Расчетные параметры пути, подвижного состава и грузопотока, необходимые для вычисления спектра динамических нагрузок на путь по формуле (3), определялись для типа ВСП и по статистическим данным на участке эксперимента.

Одним из вредных последствий неравномерных остаточных осадок пути являются повреждения рельсовой колеи по уровню. Удельная протяженность пути, неисправного по уровню (УПНП), рассматривается, как вероятность повреждения рельсовой колеи по уровню, и характеризует объемы выправочно-подбивочных работ. В работах С.Н.Попова, П.П.Цуканова, Е.С.Варызгина и других исследователей этот показатель предлагается использовать в качестве показателя состояния балластного слоя, наряду с известным показателем загрязненности.

Среднеквадратическое отклонение положения рельсовой колеи по

уровню определяется, как £д = . УПНП вычисляется с использованием уравнения (7) и вероятностных таблиц, как вероятность выхода параметра за нижнюю и верхнюю границу допуска. Пример зависимости УПНП от пропущенного тоннажа, вычисленной для ВСП с рельсами типа Р75, деревянными шпалами, щебеночным балластом с асбестовым покрытием, приведен на Рис. 4. Зависимость удельного протяжения пути, неисправного по уровню, от пропущенного тоннажа.

На основе разработанного вероятностного подхода могут быть созданы конкретные методики расчетов вероятностных оценок других дефектов пути накапливающегося характера, зависящих от движения поездов. Основная трудность при этом возникает в определении конкретного вида зависимости (1 В) для данного вида повреждения. Накапливающийся характер лидирующих дефектов рельсов, как известно, связан с усталостными процессами. Это положение принято за основу при разработке методики расчета одиночного изъятия рельсов. Был использован также общетехнический метод вероятностного расчета усталостной прочности Серенсена-Когаева для нестационарного режима нагружения и ограниченной выносливости.

Метод основан на линейной гипотезе накопления усталостных повреждений и уравнении кривой усталости в виде

рктик =р;м0 ' (20)

где Рг - предел выносливости; Ы0 и т - параметры уравнения кривой усталости;

Ыи,- число циклов нагружения, соответствующих нагрузке Рк по кривой усталости.

УПНП,%

20

10

0_!_|_|

0 100 200 300

Пропущенный тоннаж, млн т бр

Рис. 4. Зависимость удельного протяжения пути, неисправного по уровню, от пропущенного тоннажа

Средний срок службы рельсов по усталостным дефектам определяется по формуле:

' сут Р

К, I РктЯРк)ЬР

р .

' цш

где Кг - коэффициент влияния плана и профиля пути на контактно-усталостные дефекты рельсов определяется по известным формулам.

Эксплуатационный спектр динамических нагрузок моделируется по правилам, рассмотренным выше.

На основе исследований Г.И.Тарнопольского принимается предположение о нормальном законе распределения срока службы рельсов. Другими словами, известная зависимость удельного одиночного

изъятия рельсов от пропущенного тоннажа л = /(Г) аппроксимируется интегральной функцией нормального вероятностного распределения. Пропущенный тоннаж определяется при этом по формуле

Г- = N Р

Вероятность отказа рельсов определяется по (6), как Вотк = Вер(И При длине рельсов 25 метров удельное одиночное изъятие рельсов в шт/км за данный срок службы вычисляется, как

п = 80Воту^ ; где Ку - коэффициент, учитывающий долю контактно-

усталостных дефектов в общем числе одиночно изъятых рельсов.

Сопоставление эмпирических и расчетных зависимостей для ряда конкретных участков показало достаточное их совпадение.

На Рис. 5 приведено сопоставление эмпирических зависимостей удельного одиночного изъятия, обобщенных В.С.Лысюком, и расчетных зависимостей, полученных в настоящей работе для двух участков пути и близких условий эксплуатации.

Пропущенный тоннаж, млн т бр Рис. 5. Зависимости удельного одиночного изъятия незакаленных рельсов Р65 (дер.шпалы, щебень) от пропущенного тоннажа:

---эмпирические зависимости по данным ВНИИЖТа (прямые и пологие кривые);

-расчетные зависимости.

Основные характеристики сопротивления головки рельсов усталости: предел контактно-усталостной выносливости Рг, показатель степени т и число никлов нагружения N0, соответствующее пределу выносливости, определены по данным Л.П.Мелентьева, Г.М.Шахунянца, Г.И.Тарнопольского и уточнены для данной методики в натурных статистических экспериментах на эксплуатируемых участках пути.

В ТРЕТЬЕМ разделе разработана расчетная модель состояния ВСП главного пути отдельного железнодорожного направления (ЖН).

Модель рассматривается, как автоматизированное средство исследования состояния и объемов ремонтов ВСП и как необходимый элемент перспективной практической технологии планирования ремонтов пути.

Модель имеет программное и информационное обеспечение, реализованные на ЭВМ ЕС1033 и 1ВМ-совместимом персональном компьютере.

В базе данных модели описываются параметры верхнего строения пути в масштабе рельсошпалобалластной карты, конструктивные характеристики ВСП по перечню, предусмотренному Правилами производства расчета пути на прочность, план и профиль пути (попикетно), параметры грузопотока (по отчетным данным Ц04) по поездоучасткам, конструктивные характеристики ведущих типов подвижного состава. Модель разработана для конкретных главных путей важнейших направлений двух дорог общей протяженностью около 4000км.

По данным В.Н.Данилова и В.С.Лысюка, отказы рельсов составляют более 95% из годового числа отказов ВСП. Таким образом, наиболее важно для оценки работоспособности ВСП ЖН оценивать и прогнозировать годовое количество одиночно изъятых о/д рельсов (ГОИР).

Расчет зависимости удельного одиночного изъятия рельсов для каждого ОУ в модели выполняется с года его укладки по вероятностной методике, разработанной в предыдущем разделе.

В вычислительных экспериментах с помощью модели было принято положение, что сплошная замена рельсов в пределах ОУ ВСП назначается при достижении допускаемого удельного одиночного

изъятия рельсов с года укладки [и], нгг/км.

Перечень участков с исчерпанным ресурсом рельсов определялся по условию

п>[п], (22)

где п - удельное одиночное изъятие рельсов в шт/км, накопленное с года укладки ОУ ВСП.

Условие (22) проверялось в процессе вычислений для расчетного года на каждом ОУ.

Верхнее строение одного главного пути исследуемого направления состоит в среднем по годам из 113 участков, различающихся хотя бы по одному эксплуатационному или конструкционному фактору (год укладки, тип и качество рельсов, параметры грузопотока и пр.).

Доля рельсов разных типов, уложенных на направлении, составляла за период исследования: Р75 зак.- 12%, Р75 незак. - 21%, Р65 зак,- 58% и Р65 незак. - 9%.

Для получения среднегодовых оценок объемов сплошной W и одиночной (ГОИР) замены рельсов расчеты выполняются при каждом значении переменного исследуемого фактора для десяти последовательных расчетных лет. На участках, попавших в перечень капитального ремонта пути в каком-либо из расчетных лет, год укладки заменяется на расчетный.

Среднегодовые значения W, определенные с помощью модели, близки для путей данного направления к получаемым по формуле (1). ГОИР определяется для года, следующего за расчетным.

Проверка работоспособности модели осуществлялась сопоставлением расчетного прогнозируемого годового количества одиночно изъятых рельсов с фактическим в пределах данного направления. Расчет выполнялся в начале текущего года после коррекции базы данных модели по состоянию на 01.01 текущего года. При корректировке учитывалось выполнение капитального ремонта пути по утвержденному плану в предстоящем ремонтном сезоне текущего года. Годовое количество одиночно изъятых рельсов вычислялось на конец текущего года, как сумма годового приращения одиночного изъятия на всех ОУ каждого главного пути и направления в целом. Одиночное изъятие на участках, вошедших в план предстоящего ремонта

пути, в этой сумме не учитывалось.

Результаты сопоставления расчетных данных с данными других исследователей для аналогичных условий и с фактическими данными на экспериментальных участках пути подтверждают работоспособность разработанного варианта модели состояния рельсов в пределах ЖН.

В разделе разработана методика и выполнены исследования зависимости средних годовых объемов сплошной замены рельсов и годового количества одиночно изъятых рельсов (ГОИР) в пределах ВСП ЖН от допускаемого удельного одиночного изъятия рельсов для первоначально уложенной группы рельсов.

Пример такой зависимости для нечетного пути направления Пенза-Кропачево приведен на Рис. 6.

Затраты, тыс.$ км/год на 1000 км

Рис. 6. Зависимость годовых объемов капитального ремонта пути и одиночного изъятия рельсов N от допускаемого удельного одиночного изъятия рельсов [п] (для условий четкого пути направления П-К):

1 - изменение объема капитального ремонта пути, 2 - изменение годо-вого объем, одиночного изъятия рельсов, 3 - сумма затрат на капи-тальный ремонт и сто и мост V потерь от одиночного изъятия рельсов

В расчетах по исследованию связи IV, ГОИР и [п] варьировались значения [п]. Таким образом, было определено влияние [п] на IV и ГОИР при тех же прочих условиях. Как видно из Рис. 6, чем выше требования к эксплуатациошюй надежности, то есть, чем меньше [п] и ГОИР, тем дороже они достаются по затратам на ремонты.

В результате расчетов установлено, что при определенном значении [п] наблюдается минимум суммы затрат на сплошную замену рельсов и эксплуатационных потерь при одиночной замене о/д рельсов с учетом потерь от задержек поездов. Такой минимум (кривая 3 на Рис. 6) наблюдается при среднесетевом соотношении стоимости сплошной замены рельсов и стоимости потерь при одиночной замене о/д рельсов (с учетом потерь от задержек поездов) при данной грузонапряженности.

В вычислительных экспериментах была получена зависимость оптимального удельного одиночного изъятия рельсов от грузонапряженности. Эта зависимость приведена на Рис. 7. Она согласуется с результатами независимых исследований ВНИИЖТа (В.Г.Альбрехт, Л.Г. Крысанов, М.В.Клоков), МИИТа (В.Я.Шульга) и ВЗИИТа (В.И.Тихомиров).

Подчеркнем, что значения, определенные по зависимости на Рис. 7, обеспечивают примерно одинаковую эксплуатационную надежность рельсового хозяйства главных путей разных направлений с разными условиями эксплуатации. Некоторые специалисты высказывают предположение, что с увеличением грузонапряженности допускаемое годовое число отказов на главных путях должно уменьшаться. В этом случае межремонтные нормы с увеличением грузонапряженности будут уменьшаться более интенсивно, чем по зависимости Рис. 7.

Другим основным видом ремонтных работ, определяющим техническое состояние пути и рассмотренным в разделе, являются сплошные выправочно-подбивочные работы (СВПР).

В качестве показателя эксплуатационной надежности балластного слоя в пределах главного пути ЖН в работе рассматривается вероятность отказа рельсовой колеи по уровню 5-ой степени (ТУ-81 по расшифровке путеизмерительных записей) и 4-ой степени (по Инструкции ЦПТ-55). Тесная корреляционная связь состояния балластного слоя и положения рельсовой колеи по уровню установлена в работах С.Н. Попова, П.П.Цу-

канова, Е.С.Варызгина.

Рис. 7. Зависимость допускаемого удельного одиночного изъятия рельсов [п] от

грузонапряженности

В отличие от острых дефектов рельсов отказы рельсовой колеи по уровню должны и могут быть предотвращены за счет планово-предупредительной организации СВПР.

В качестве критерия сплошной выправки пути на данном километре принят показатель, предложенный С.Н.Поповым, - удельная протяженность пути, неисправного по уровню (УПНП). В первом приближении в диссертационной работе для линий с разными скоростями движения определены соответствующие им допускаемые значения УПНП. На участках со скоростями движения не более 100 км/ч допускаемое УПНП составляет 20 процентов; до 120км/ч - 8,5 процентов; выше 1 бОкм/ч - один процент.

Расчеты показали, что вероятность неисправностей рельсовой колеи 5-ой степени (по ТУ-81) или 4-ой степени по ЦПТ-55, соответствующая 20-процентному значению УПНП, составляет 210'6. Этот уровень эксплуатационной надежности пути по данному параметру можно считать приемлемым.

Отмечается предпочтительность применения статистического метода прогнозирования УПНП и планирования СВПР по результатам измерений УПНП компьютеризированным путеизмерительным вагоном.

В ЧЕТВЕРТОМ разделе выполнен анализ возможностей применения постоянно действующих расчетно-аналитических моделей при практическом управлении состоянием ВСП главных путей железнодорожного направления.

Одним из важных вопросов управления состоянием ВСП ЖН является оценка связи асимптотического уровня годовых объемов ремонтов и отказов ВСП в пределах направления. Формула (1) характеризует среднегодовой объем W ремонта ВСП в пределах направления при относительной стабилизации конструктивных характеристик и условий эксплуатации пути. Как отмечалось, до настоящего времени ГКО ЖН не определяется для утверждаемых ежегодно планов ремонтов.

В разделе показана возможность определения ГОИР, соответствующего данному плану сплошной замены рельсов. На Рис. 8 приведена зависимость годовых объемов сплошной и одиночной замены рельсов, полученная расчетами на модели, которая иллюстрирует эту возможность.

При ежегодном планировании капитального ремонта на данном направлении в службе пути использовалось 70-80 процентов из прогнозируемого с помощью модели перечня километров с исчерпанным ресурсом рельсов по одиночному изъятию. Расчетная оценка ГОИР для вариантов планов без учета прогнозирования и с учетом показала, что в последнем варианте при том же объеме ремонтов и тех же прочих условиях ГОИР меньше в среднем по годам на 10-15 процентов.

Отмечено, что одним из результатов планирования по недостаточно дифференцированным нормам является разный уровень годового количества о/д рельсов на разных главных путях одного или разных направлений, то есть разная эксплуатационная надежность.

В разделе изложены результаты расчетной оценки влияния различных факторов: осевой нагрузки, скорости движения и грузонапряженности на работоспособность ВСП и объемы ремонтных работ (одиночная и сплошная замена рельсов, выправочно-подбивочные работы).

ГОИР, шт/год

Грузонапряженность, млн ткм бр./км в год

Рис. 8 Зависимости годовых объемов сплошной и одиночной замены рельсов от грузонапряженности при неизменных нормах допускаемого удельного одиночного

изъятия рельсов

1 и 2 - по расчету с помощью модели состояния В СП ЖН.

(1 - годовое количество одиночно изъятых рельсов, шт/ЮОкм;

2 - годовой объем сплошной замены рельсов);

3 - годовой объем сплошной замены рельсов, рассчитанный по формуле 1.

Примеры полученных оценок и зависимостей приведены на рис. 9-12.

На Рис. 9 показана зависимость уменьшения межремонтной нормы (в процентах от базового значения) от допускаемой осевой нагрузки и доли полногруженных грузовых вагонов.

На основании зависимостей, приведенных на Рис. 9, сделан вывод, что, если повышение осевых нагрузок грузовых вагонов происходит без изменения грузонапряженности и прочих вшшощйх факторов, то для сохранения нормативного уровня годового количества одиночно изъятых рельсов на направлении необходима дополнительная корректировка средних межремонтных норм и допускаемых, показателей предремонт-ного состояния в сторону их уменьшения, При этом, кроме величины

осевых нагрузок, необходимо учитывать и их долго в грузопотоке. Влияние увеличения осевых нагрузок тем больше, чем больше доля вагонов с увеличенными нагрузками по числу осей в грузопотоке.

[Т], 100% 100

80

60

40

20

0

0 20 40 60 80 100%

Доля полногруженных грузовых вагонов по числу осей в вагонопотоке

Рис. 9. Уменьшение средней межремонтной нормы наработки тоннажа [Т] в зависимости от доли полногруженных грузовых вагонов по числу осей в грузопотоке

и их осевой нагрузки:

1 - при осевой нагрузке полногруженных грузовых вагонов, равной 230кН, 2 - то же 250кН, 3 - то же 270кН, 4 - то же ЗООкН.

Примечание: в базовом варианте нагрузка полногруженных грузовых вагонов равна 210кН; доли по числу осей в грузопотоке: полногруженных.грузовых вагонов - 0,2, всего грузовых вагонов - 0,78; средняя осевая нагрузка - 165 кН.

На Рис. 10 приведены результаты расчетов годовых объемов капитального ремонта пути и одиночного изъятия рельсов в пределах направления в зависимости от осевых нагрузок подвижного состава и их доли в годовом спектре нагрузок на путь в предположении постоянной рузонапряженности и неизменной конструкции ВСП.

Впервые получены количественные оценки влияния на объемы гемоятоз и повреждаемость ВСП осевых нагрузок полногруженных рузовых вагонов с учетом их доли в вагонопотоке. Примеры оценок гриведешл на Рис. 10,11.

\У,%

Осевая нагрузка полногруженных грузовых вагонов, кН

а)

ГОИР, %

Осевая нагрузка полногруженных грузовых вагонов, кН

б)

Рис. 10. Зависимости годовых объемов сплошной замены (V/) и одиночного изъятия рельсов (ГОИР) в пределах ЖН от осевых нагрузок полногруженных грузовых вагонов при неизменном допускаемом удельном одиночном изъятии рельсов:

а) для сплошной замены рельсов;

б) для одиночного изъятия рельсов.

1 - при доле полногруженных грузовых вагонов в грузопотоке, равной 20%; 2 - тс же 50 %.

Примечание: изменение объемов дано в процентах к базовому варианту - осевш нагрузка грузовых вагонов 210кН, грузонапряженность 110 млн ткм бр./км в год средняя осевая нагрузка 165 кН .

Установлено расчетами на модели состояния ВСП ЖН и по фактическим данным, что увеличение осевой нагрузки ведущей серии грузовых локомотивов с 230Кн (23т) до 250Кн (25т) на исследуемом направлении вызвало увеличение годового количество одиночно изъятых рельсов на 25 процентов при тех же прочих условиях. На Рис. 11,12 приведены другие примеры оценки влияния эксплуатационных факторов на объемы ремонтных работ, полученные с помощью разработанных аналитических моделей.

\У, %

Осевая нагрузка полногруженных вагонов, кН

Рис. 11. Зависимость относительной протяженности пути, неисправного по уровню (УГШП) от осевых нагрузок полногруженных грузовых вагонов при их доле в общем грузопотоке, равной 40%, и при пропущенном тоннаже, равном 200-350 млн т бр.

Примечание: изменение относительной протяженности пути, неисправного по уровню дано в процентах от базового варианта, рассчитанного при осевых

нагрузках полногруженных грузовых вагонов 210кН. %

ДУ, км/ч

Рис. 12. Влияние приращения средней технической скорости движения (ДУ) на годовой объем капитального ремонта пути главных путей направления П-К при условии неизменного среднегодового количества одиночно изъятых рельсов

Результаты, полученные в разделе, внедрены на Куйбышевской

ж.д. и в ряде отраслевых научно-технических программ.

В ПЯТОМ разделе сформулирована концепция мониторинга верхнего строения пути. Разработаны требования к проектированию автоматизированных диагностических подсистем (АДП ВСП), как технического средства мониторинга верхнего строения пути и управления его состоянием.

Автоматизированная диагностическая подсистема верхнего строения пути (АДП ВСП) - это комплекс технических, программных и информационных средств. В АДП ВСП автоматизируется основной алгоритм выработки управляющих решений по содержанию пути.

В АДП реализуются основные методологические и методические требования оптимального управления: учет индивидуального срока службы каждого участка пути, прогнозирование состояния, применение оптимальных допускаемых критериев технического состояния и др.

Разработка и внедрение АДП ВСП способствуют повышению безопасности движения поездов и эффективности системы содержания ВСП и рассматривается, как одна из первоочередных важных задач автоматизации управления в путевом хозяйстве. Это объясняется определяющим значением диагностики для выработки эффективного управляющего решения. Особое значение придается диагностике предельных (предремонтных) состояний пути.

В разделе разработан алгоритм комплекса автоматизированных задач по анализу и прогнозированию одиночного изъятия рельсов (АЗОИР), реализованного на ЭВМ и внедренного на Куйбышевской ж.д.

Для повышения качества решений по мероприятиям, выполняемым при обнаружении дефектов в рельсах в соответствии с каталогом НТД/ЦП-2-93, разработана экспертная система ОЕРИ.

Разработаны требования к проектированию АДП рельсовой колеи (АДП РК), которые реализованы при участии автора в АДП РК на Куйбышевской дороге. В подсистеме предусматривается оценка неотложных, первоочередных и планово-предупредительных работ текущего содержания по показаниям путеизмерительного вагона с бортовой автоматизированной системой (БАС), а также получение ресурсной оценки балластного слоя (УПНП). УПНП определяется

непосредственно по результатам измерений рельсовой колеи. Для прогнозирования УПНП в ПЭВМ дистанций разработана покилометровая база данных для накопления УПНП по результатам периодической диагностики. В связи с трудоемкостью вычислений УПНП практическое его применение возможно лишь при условии автоматизации обработки измерений. Это требование учтено при разработке БАС путеизмерительного вагона.

Подсистема включает в себя путеизмерители с БАС и ПЭВМ разных уровней управления (дистанция и служба пути), как важнейший элемент АДП РК. Разработаны основ-ные требования к технологии взаимодействия БАС путеизмерителя с ПЭВМ дистанции и службы пути. Технология разработана по техни-ческому заданию и при участии автора диссертации и внедрена на Куйбышевской дороге.

Результаты разработки АДП РК использованы в технических условиях на стыковку АРМ диспетчера дистанции пути с бортовыми автоматизированными системами передвижных диагностических средств (Утверждены ЦП МПС 15.06.94) и в Дополнениях к техническим условиям по расшифровке путеизмерительных записей (ТУ-81) (утв.07.08.96г,).

Бортовая автоматизированная система (БАС) путеизмерительного вагона, в разработке которой автор диссертации принимал непосредственное участие, принята комиссией МПС и в настоящее время изготавливается серийно. Установка БАС на действующие путеизмерительные вагоны ЦНИИ-2 предусмотрена Государственной программой безопасности движения поездов на железных дорогах РФ на период до 2000г.(приказ МПС 19Ц от 01.06.92) и приказом МПС 12Ц от 16.08.94г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненного исследования:

1. Определены методологические принципы оптимизации системы содержания пути.

2. Создана расчетно-аналигическая модель состояния верхнего строения главных путей конкретного железнодорожного направления, реализованная на ЭВМ. Модель является постоянно действующим

автоматизированным средством исследования технического состояния верхнего строения пути, выработки рекомендаций по обеспечению заданных показателей работоспособности главных путей направления в изменяющихся условиях эксплуатации и планирования ремонтов ВСП.

3. Определены дифференцированные допускаемые значения одиночного изъятия рельсов (одного из основных критериев предремонтного состояния ВСП) из условия заданной эксплуатационной надежности рельсового хозяйства пути в пределах железнодорожного направления и минимума совокупных затрат на содержание с учетом потерь от задержек поездов.

4. Даны количественные оценки влияния важнейших эксплуатационных факторов (грузонапряженности, технической скорости движения, осевых нагрузок локомотивов, осевых нагрузок полногруженных грузовых вагонов и их доли в грузопотоке) на работоспособность и объемы ремонтов ВСП в пределах главного пути железнодорожного направления, а также на работоспособность и сроки службы первоначально уложенной группы рельсов.

5. Разработаны новые вероятностные методы расчета эксплуатационной надежности верхнего строения пути, впервые учитывающие в явном виде эксплуатационный спектр динамических нагрузок на путь от колес подвижного состава, а также зависимости лидирующих повреждений пути от величины и количества воздействий.

6. Сформулирована концепция автоматизированной диагностической подсистемы (АДП ВСП) верхнего строения пути, как практического технического средства управления состоянием пути. Разработаны и внедрены действующие варианты АДП ВСП, реализующие методологию оптимального управления его техническим состоянием.

Основные результаты исследований внедрены при разработке: отраслевых научно-техническими программ, по разработке научно обоснованной системы ведения путевого хозяйства на линиях с высокой грузонапряженностью (Указание МПС N608 от 10.03.86г.); по увеличению осевых нагрузок подвижного состава (Указания МПС N1531, N1-21450, N1324 от 1985г.,N1-8175 от 18.03.86г.); по увеличению средней технической скорости движения (Указание МПС

1Ч1459-у от 18.12.85г.);

- технического задания ЦП МПС на корректировку информационно-справочной системы АСУ-путь;

- комплексной программы МПС по внедрению вычислительной и микропроцессорной техники, в том числе с целью повышения эксплуатационной надежности пути;

- "Указаний по системе ведения путевого хозяйства на участках с высокой грузонапряженностью" (Утв. ЦП МПС 15.10.84);

- "Положения о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах РФ" (приказ МПС 12Цот 16.08.94г.);

- Технического задания на разработку бортовой автоматизированной системы (БАС) оценки состояния пути для путеизмерительного вагона ЦНИИ-2 (Утв.ЦП МПС 30.05.93);

- Технического задания на бестросовый компьютеризированный путеизмерительный вагон (Утв.ЦП МПС 20.07.93);

- Технического задания на программное обеспечение бортовой автоматизированной системы путеизмерительной автомотрисы АП-1 (утв.ЦП МПС 27.06.94г.).

- Технических условий на стыковку АРМ диспетчера дистанции пути с бортовыми автоматизированными системами передвижных диагностических средств (Утверждены Ц11 МПС 15.06.94).

- Дополнений к техническим условиям по расшифровке путеизмерительных записей (ТУ-81) (угв.07.08.96г.).

На Куйбышевской железной дороге внедрен комплекс автоматизированных задач анализа и прогнозирования одиночного изъятия рельсов, позволивший при тех же годовых объемах капитального ремонта пути на 10-15 процентов уменьшить годовое количество остродефектных рельсов за счет учета и прогнозирования состояния верхнего строения пути по одиночному изъятию рельсов.

Экспертная система по мероприятиям, выполняемым при обнаружении дефектов в рельсах в соответствии с каталогом НТД/ЦП-2-93, разработанная по алгоритмам и при участии автора, одобрена координационным советом по АСУ-путь МПС РФ и внедрена на Куйбышевской ж.д.

Бортовая автоматизированная система (БАС) путеизмерительного

вагона, разработанная при участии автора, принята комиссией МПС и в настоящее время изготавливается серийно. Задания по тиражированию этой системы включены в Государственную программу безопасности движения поездов на железных дорогах РФ на период до 2000г. (Приказ МПС 19Ц) и в приказ МПС 12Ц.

На Куйбышевской железной дороге внедрен опытный вариант автоматизированной диагностической подсистемы рельсовой колеи, включающей путеизмерители с БАС, ПЭВМ дистанций и службы пути и средства сопряжения между ними.

Практические результаты работы отмечены серебряной медалью ВДНХ СССР, дипломом и медалями ВВЦ РФ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Филиппов В.М. Моделирование эксплуатационного распределения напряжений в рельсе //Сб. научн. тр./ НИИЖТ. -1975. -Вып.173: Ж-.д. путь на грузонапряженных участках.-С.36-46.

2. Филиппов В.М. К методике планирования работ по исправлению рельсовой колеи//Межвуз. сб. науч.тр./ НИИЖТ.-1977.-Вып. 183: Ж.-д. путь на грузонапряженных участках.-С. 11-17.

3. Филиппов В.М. К методике определения аналитической зависимости остаточных деформаций пути от срока службы //Межвуз. сб. научн. тр./МИИТ.-1978.-Вып.646: Вопросы пути и подвижного состава,-С.112-117.

4. Филиппов В.М.,Архангельский С.В.Гунин В.А. Об одной реализации автоматизированной диагностической системы назначения ремонтов пути //Тезисы межвуз. н.-т. конференции /НИИЖТ,-1982.-С. 36-41.

5.Филиппов В.М.,Лысак С.С.,Мрыга Б.И. Расчетное обеспечение мероприятий по повышению уровня использования и надежности верхнего строения пути решающего направления Куйбышевской железной дороги //Тезисы н.-т.конференции /КИИТ.-1982.-С.38-39.

6. Филиппов В.М.,Архангельский С.В.,Гунин В.А. Применение автоматов на базе микровЭВМ для оперативного анализа состояния рельсовой колеи //Тезисы н.-т. конференции /КИИТ.-1983.-С.64-65.

7. Филиппов В.М. Аналитическая модель содержания пути конкретного ж.-д. направления, как средство исследования его надежности и системы содержания //Межвуз. сб. научн. тр. /ХабИИЖТ.-1984.-Вып.50 :-С.108-113.

8. Филиппов В.М. Верхнее строение пути отдельного железнодорожного направления как сложная техническая система //Межвуз. сб.научн. тр./НИИЖТ.-1985: Ж.-д. путь на грузонапряжен-ных участках.-С.77-80.

9. Филиппов В.М. Зависимость поставок рельсов от допускаемой надежности пути //Тезисы н.-т. конференции /КИИТ.-1986.-С.80-81.

Ю.Фшшппов В.М. Автоматизированная система исследований эксплуатационной надежности верхнего строения пути //Межвуз.сб.науч. тр. /МИИТ.-1986.-Вып.775 :- С.68-69.

И.Фютшпов В.М. Один метод учета динамических нагрузок от колес подвижного состава в расчете объемов выправочно-подбивочных работ / КИИТ.-Куйбышев., 1986.-1 бс.-Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 00.00.86, N3564.

12.Филиппов В.М. Управление состоянием технических средств транспорта//Железнодорожный транспорт.-1986.-М10.-С.40-41.

13.Филиппов В.М., Крысанов Л.Г., Скворцов О.С. Оценка усталостной долговечности рельсов//Вестник ВНИИЖТа.-1987,Ы8.-С.34-46.

14.Филиппов В.М. Задачи совершенствования диагностики при организации ремонтов ж.-д. пути //Совершенствование средств и методов диагностики при техническом обслуживании и ремонтов транспортных средств: Тез. докл. Всесоюзной н.-т. конф. -М.:1987. -С.10-11.

15.Филиппов В.М. Автоматизированная диагностическая система, как средство повышения надежности пути // Межвузов, сб. тр./ВЗИИТ,-1988.-Вып.142:-С.Зб-41.

16.Филиппов В.М. Эксплуатационная надежность верхнего строения пути при увеличении массы поезда.//Межвуз.сб.научн.тр. /КИИТ.-1988.-Вып.1:-С.34-41.

17.Филиппов В.М. Управлять состоянием пути //Путь и путевое хозяйство.-1989.-Ш.-С.10-12.

18.Филиппов В.М. Разработка автоматизированной диагностической системы ж.-д. пути // ОИ ЦНИИТЭИ МПС: Ж.-д.транспорт, серия Путь и путевое хозяйство.-1989,вып.5.

19.Филиппов В.М.,Синявская JI.B. Первоначально уложенная группа рельсов, как объект диагностики//Тезисы ХХХУ1 межвуз. н.-т. конф. /ХабИИЖТ.-1989, Т.2.-С.184-185.

20.Филишюв В.М.,Голованчиков A.M. О влиянии уровня изъятия рельсов на объемы ремонтов //Межвуз. сб. тр. /,НИИЖТ.1989:Повышение надежности и эффективности работы ж.-д. пути. -С.47-52.

21.Филиппов В.М. Один подход к определению современной системы управления на ж.-д. транспорте //Тезисы докл. н-т.конф.МПС/ Новосибирск.-НИИЖТ.-1991.-ч.1 -С.115-116.

22.Филиппов В.М. Управление техническим состоянием верхнего строения пути. Основные понятия: Учебное пособие. -Куйбышев: КИИТ, 1989.-70С.

23 .Филиппов В.М. Основные принципы построения имитационных игр по технической эксплуатации пути //Межвузов, сб.научн. тр./МИИТ.-Вьш.832.-1990. -С.84-86.

24.Филиппов В.М. Определение допускаемого удельного протяжения пути, неисправного по уровню. //Материалы XI н.-т. конфЖИИТ. -1990. -Стр.63-64.

25.Филиппов В.М. К постановке основной задачи теории технической эксплуатации пути //Межвуз.сб.научн.тр./ НИИЖТ,-Вьш.:Повьш1ение надежности и эффективности ж.-д. пути.-1991.-С.31-33.

26.Филшшов В.М. Применение методов теории систем при решении задач безопасности движения поездов //Межвузов, сб.научн. тр./МИИТ.-Вып.842.-1990. -С.34-36.

27.Фишшпов В.М., Нефедов A.A., Межремонтные сроки и наши резервы // Путь и путевое хозяйство.-1992г.-№0. С.16-17.

28. Филиппов В.М. Актуальные задачи управления техническим состоянием пути.//Материалы межвуз. н.-т. конф., ч.2./СамИИТ.-1993. -Стр.6-7.

29. Архангельский C.B., Гунин В.А., Нефедов A.A., Филиппов В.М. Бортовая автоматизированная система оценки состояния пути.//Материалы межвуз.н.-т.конф., ч.2./СамИИТ. -1993. -Стр.9-10,

30.Фшшппов В.М. Прогнозирование технического состояния верхнего строения железнодорожного пути: Учебное пособие. -Самара. СамИИТ. 1993. -80с.

31. Филиппов В.М., Крысанов Л.Г., Борисова Е.В., Павлов А.Ю. Экспертная система. //Путь и путевое хозяйство.-1995r.-Nl 1. С.11.

32. Филиппов В.М. К концепции компьютерной технологии управления в путевом хозяйстве дороги. //Межвузов, сб.научн. тр. /СамИИТ.-Выл.П.-1995. -С.35-43.

33. Филиппов В.М. Методологические принципы построения автоматизированной подсистемы управления состоянием ж.д. пути. //Тез. докл. 2-ой межвузовской н.-т. конф. "Актуальные проблемы и перспективы развития ж.-д. транспорта."/РГОТУПС. -М.:, 1997, -С.137-140.

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САМАРСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

ФИЛИППОВ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

УДК 625.17:625.14:007:(07)

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ

05.22.06 - Железнодорожный путь

Диссертация на соискание ученой степени доь технических наук

Самара - 1997

Содержание

Введение................................................... 7

1. ПОСТАНОВКА ОСНОВНОЙ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ПУТИ........................................... 15

1.1. Общие тенденции развития технической эксплуатации....... 19

1.2. Признаки общих тенденций развития технической эксплуатации в путевом хозяйстве ....................... 22

1.3. Аналогия структуры тенденций совершенствования

систем ТОиР и основных алгоритмов управления ........... 25

1.4. Верхнее строение пути, как сложная система ............. 31

1.5. Виды технического состояния однородного

участка ВСП одного года укладки........................ 37

1.6. Критерии предельного технического состояния верхнего строения пути........................................... 42

1.7. Уточнение основной задачи теории технической эксплуатации пути...................................... 49

1.8. Некоторые методологические принципы решения основной задачи ................................................. 53

1.9. Выводы................................................. 60

2. РАЗРАБОТКА ВЕРОЯТНОСТНЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТНОЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ОДНОРОДНОГО УЧАСТКА ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ ______ 63

2.1. Аналитический обзор вероятностных методов расчета повреждений верхнего строения пути ..................... 65

2.2. Способы вычисления вероятности отказа пути ........... 72

2.3. Методика вычисления эксплуатационного спектра динамических нагрузок от колес подвижного состава ...... 79

2.4. Зависимости накопления повреждений пути от величины

и количества динамических нагрузок на путь ............. 84

2.5. Особенности усталостных расчетов металлических элементов верхнего строения ............................ 88

2.6. Методика расчета одиночного изъятия рельсов ............ 89

2.7. Методика экспериментального определения постоянных

для вероятностной оценки повреждений ................... 93

2.8. Экспериментальная проверка вероятностного расчета остаточных осадок пути с учетом количества и

величины динамических нагрузок на путь ................. 98

2.9. Методика экспериментального определения параметров

кривой усталости головки рельсов ....................... 100

2.10. Экспериментальная проверка вероятностного расчета одиночного изъятия рельсов с учетом количества и величины динамических нагрузок на путь..................105

2.11. Выводы по разделу....................................110

3. РАЗРАБОТКА ВОПРОСОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ВСП

ГЛАВНЫХ ПУТЕЙ ОТДЕЛЬНОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО НАПРАВЛЕНИЯ .....112

3.1. Характеристика объекта исследования ....................113

3.2. Априорная расчетная модель состояния верхнего строения пути железнодорожного направления ...................... 123

3.3. Исследование связи годового объема сплошной замены и годового количества одиночного изъятия рельсов на направлении ..................................... ....... 132

3.4. Исследование связи годового объема сплошной замены рельсов, годового количества одиночно изъятых рельсов и допускаемого критерия предельного состояния ВСП

по одиночному изъятию рельсов .......................... 138

3.5. Предложения по корректировке межремонтных норм ......... 144

3.6. Оценка одного из допускаемых критериев предельного состояния балластного слоя ............................. 146

3.7. Выводы по разделу......................................159

4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВСП И ОБЪЕМОВ РЕМОНТНЫХ РАБОТ ........................................... 162

4.1. Общие сведения о прогнозировании .......................163

4.2. Априорное прогнозирование технического состояния ВСП при планировании ремонтов ..............................167

4.3. Оценка влияния осевых нагрузок локомотивов на одиночное изъятие рельсов и объемы ремонтных работ ............... 171

4.4. Оценка влияния осевых нагрузок грузовых вагонов на одиночное изъятие и объемы капитального ремонта пути ... 178

4.5 Оценка влияния осевых нагрузок вагонов на объемы

выправочно-подбивочных работ...........................197

4.6. Расчетная оценка влияния скорости движения на повреждаемость пути и основные ремонтные ресурсы ....... 198

4.7. Выводы по разделу......................................209

5. РАЗРАБОТКА ВОПРОСОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ПОДСИСТЕМЫ ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ .........211

5.1. Концепция автоматизированной диагностической

подсистемы управления техническим состоянием ВСП....... 212

5.2. Структура информационного обеспечения АДП ВСП...........217

5.3. Структура программного обеспечения АДП ВСП..............223

5.4. Место АДП ВСП в системе АСУ путевого хозяйства..........224

5.5. Практические варианты АДП...............................226

5.6. Методика практического прогнозирования технического состояния эксплуатируемого верхнего строения пути.......233

5.7. Выводы по разделу.......................................243

Заключение .................................................. 245

Список использованных источников............................. 249

Приложение 1. Алгоритмы расчета одиночного изъятия рельсов.... 268 Приложение 2. Управляющая программа и исходные данные расчета

одиночного изъятия рельсов....................................278

Приложение 3. Программа и исходные данные расчета удельного

протяжения пути, неисправного по уровню ...................... 303

Приложение 4. Выходные формы результатов расчета одиночного изъятия рельсов для эксплуатируемых главных путей.............315

Приложение 5. Документы по внедрению результатов исследования.316

Перечень принятых сокращений

АДП - автоматизированная диагностическая подсистема;

АРМ - автоматизированное рабочее место;

АСУЖТ - автоматизированная система управления железнодорожным транспортом;

АСУ ПХ - автоматизированная система управления путевым хозяйством;

АДП ВСП- автоматизированная диагностическая подсистема управления техническим состоянием верхнего строения пути;

АСУП - автоматизированная подсистема управления предприятием;

БАС - бортовая автоматизированная система;

БД - база данных;

ВСП - верхнее строение пути;

ЖН - железнодорожное направление;

ОУ - однородный участок верхнего строения пути одного года укладки с одними по длине конструкционными и эксплуатационными параметрами;

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина;

СТАУ - современная теория автоматического управления;

ТАУ - теория автоматического управления;

ТТЭ - теория технической эксплуатации;

ТОиР - техническое обслуживание и ремонты;

ТЭ - техническая эксплуатация;

ГОИР - годовое количество одиночно изъятых рельсов;

УПНП - удельное протяжение неисправностей рельсовой колеи по уровню или отношение суммарной длины мест с положением по уровню, выходящим за пределы допуска, к длине участка пути.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Обеспечение безопасности движения поездов и улучшение экономического положения являются первоочередными проблемами железных дорог. В приказе МПС РФ И2Ц от 16.08.94г. определены основные направления их решения в путевом хозяйстве на основе повышения технического уровня и внедрения ресурсосберегающих технологий. Одно из направлений связано с внедрением планирования ремонтов верхнего строения пути (ВСП) на основе показателей его фактического технического состояния.

Планирование сроков и видов ремонтных работ является одним из важных этапов управления техническим состоянием ВСП. При комплексном подходе важно совершенствовать средства диагностики, перечень диагностических признаков и показателей разных видов технического состояния ВСП; расчетные методы оценки изменения состояния; необходимо обеспечить прогнозирование состояния ВСП и др. В целом совершенствование управления техническим состоянием верхнего строения пути в условиях эксплуатации направлено на поддержание системы содержания пути на уровне, соответствующем уровню современной техники, и способствует повышению безопасности движения и эффективности содержания пути.

Цель исследования состоит в разработке комплекса научно-обоснованных решений по повышению эффективности содержания эксплуатируемого верхнего строения пути (ВСП) на основе современных информационных технологий, методологии оптимального управления и системного подхода.

Схема исследования приведена на рис.1.

Методика исследования определяется принятой в работе трак-

Рис.1 Схема проведения исследований

товкой содержания ВСП, как процесса управления состоянием сложной динамической системы.

В основу анализа управления техническим состоянием пути положены методологические принципы современной теории автоматического управления и теории систем. Использовались также положения и методы общетехнической теории технической эксплуатации сложных систем, статистической строительной механики и теории надежности.

Для многовариантных расчетов по оценке технического состояния ВСП при различных эксплуатационных и конструкционных условиях использовались реализованные на ЭВМ вероятностные расчетно-анали-тические модели состояния конкретных участков ВСП.

При оценке достоверности аналитических моделей использовались статистические эксперименты на конкретных главных путях важнейших железнодорожных направлений общей протяженностью около 4000 км.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:

- сформулирована концепция управления техническим состоянием пути, как основа для разработки информационной технологии разработки планов содержания пути;

- обобщены методологические принципы оптимизации управления техническим состоянием верхнего строения пути, как сложной технической системы;

- разработана на ЭВМ полуэмпирическая расчетно-аналитическая модель технического состояния верхнего строения эксплуатируемых главных путей конкретного железнодорожного направления, как автоматизированное средство исследования его эксплуатационной надежности в изменяющихся условиях эксплуатации.

- разработаны новые вероятностные методы и алгоритмы прогнозирования эксплуатационной надежности ВСП, реализованные на ЭВМ, впервые учитывающие в явном виде эксплуатационный спектр динамических нагрузок на путь от колес подвижного состава, а также зависимости лидирующих повреждений пути от величины и количества воздействий.

- разработана методика исследования допускаемых значений критериев предельных (предремонтных) состояний участка ВСП одного года укладки с одинаковыми по длине конструкционными и эксплуатационными характеристиками (далее однородный участок (ОУ) ВСП), во взаимосвязи со среднегодовыми значениями объемов ремонтов и количества отказов ВСП в пределах данного железнодорожного направления;

- получены зависимости основных показателей работоспособности и объемов ремонтов ВСП от важнейших эксплуатационных факторов.

- разработана концепция автоматизированной диагностической подсистемы верхнего строения пути (АДП), как нового технического средства управления состоянием ВСП;

Практическая ценность работы.

Разработанные в диссертации методология и модели представляют основу для создания автоматизированной подсистемы управления техническим состоянием ВСП.

При внедрении результатов работы снижается на 10-15 процентов годовое количество отказов верхнего строения пути при тех же годовых объемах ремонтных ресурсов и прочих условиях. Это обеспечивается за счет учета и прогнозирования фактического состояния каждого участка ВСП в пределах направления или дороги;

Созданная в работе методика может быть использована при

обосновании допускаемых критериев предремонтного состояния однородных участков ВСП при изменяющихся эксплуатационных и конструкционных условиях.

На защиту выносятся:

- системный подход к исследованию технической эксплуатации верхнего строения пути, совершенствованию информационной технологии выработки решений о сроках ремонтов ВСП;

- методология оптимизации управления техническим состоянием

ВСП;

- полуэмпирическая прогнозирующая модель состояния ВСП по лидирующим отказам;

- концепция и принципы проектирования автоматизированной диагностической подсистемы ВСП, как средства выработки рекомендаций по организации его технической эксплуатации.

Реализация работы. Работа является частью исследований, проводимых в соответствии с отраслевыми научно-техническими программами (Указание МПС N608 от 10.03.86г. по разработке научно-обоснованной системы ведения путевого хозяйства на линиях с высокой грузонапряженностью; Указания МПС N1531, N1-21450, N1324 от 1985г.,N1-8175 от 18.03.86г. по увеличению осевых нагрузок подвижного состава; Указание МПС 111459-у от 18.12. 85г. по увеличению средней технической скорости движения). В течение ряда лет исследования реализовывались в НИР, проводимых по заказам служб пути Куйбышевской и Южно-Уральской железных дорог. Результаты работы использованы при разработке технического задания на корректировку информационно-справочной системы АСУ-путь; комплексной программы МПС по внедрению вычислительной и микропроцессорной техники с целью повышения эксплуатационной надежности пути;

Результаты исследований использованы при разработке Указаний по системе ведения путевого хозяйства на участках с высокой грузонапряженностью (утв. ЦП МПС 15.10.84); приказа МПС 12Ц от 16.08.94г." 0 переходе на новую систему ведения путевого хозяйства на основе повышения технического уровня и внедрения ресурсос-беррегающих технологий"; в техническом задании на разработку бортовой автоматизированной системы (БАС) оценки состояния пути для путеизмерительного вагона ЦНИИ-2 (утв.ЦП МПС 21.01.91), в техническом задании на бестросовый компьютеризированный путеизмерительный вагон (утв.ЦП МПС 20.07.93); в технических условиях на стыковку АРМ диспетчера дистанции пути с бортовыми автоматизированными системами передвижных диагностических средств (Утверждены ЦП МПС 15.06.94); в техническом задании на программное обеспечение бортовой автоматизированной системы путеизмерительной автомотрисы АП (утв.ЦП МПС 27.06.94г.; в Дополнениях к техническим условиям по расшифровке путеизмерительных записей (ТУ-81) (утв. 07. 08.96г.).

Учтены также в: - техническом задании ЦП МПС на корректировку информационно-справочной системы АСУ-путь; - технических условиях на стыковку АРМ диспетчера дистанции пути с бортовыми автоматизированными системами передвижных диагностических средств (Утверждены ЦП МПС 15. 06.94);

На Куйбышевской железной дороге внедрен комплекс автоматизированных задач анализа и прогнозирования одиночного изъятия рельсов, позволивший при тех же годовых объемах капитального ремонта пути на 8-10 процентов уменьшить годовое количество остродефектных рельсов за счет учета и прогнозирования состояния верхнего строения пути по одиночному изъятию рельсов.

Экспертная система по мероприятиям, выполняемым при обнаружении дефектов в рельсах в соответствии с классификацией НТД/ЦП-1-93, разработанная по алгоритмам и при участии автора, одобрена координационным советом по АСУ-путь МПС РФ и внедрена на Куйбышевской ж. д.

Бортовая автоматизированная система (БАС) путеизмерительного вагона, в разработке которой принимал участие автор, принята комиссией МПС и в настоящее время изготавливается серийно. Задание по тиражированию этой системы включены в Государственную программу безопасности движения поездов на железных дорогах РФ на период до 2000г. (Приказ МПС 19Ц от 01.06.92) и в приказ МПС 12Ц от 16.08.94г.). По техническим заданиям автора и при его непосредственном участии разработано информационное и программное обеспечение режима подготовки и обработки информации БАС КВЛ-П (создание и ведение базы паспортных данных проверяемых путей, подготовка маршрута проверки пути, создание и ведение базы результатов измерений и получение выходных форм), а также обеспечение сопряжения БАС с АРМами дистанций и службы пути. Для АРМов дистанции и службы пути разработано соответствующее программное и информационное обеспечение.

Концепция мониторинга и управления техническим состоянием главных путей дороги, разработанная автором на основании выполненного исследования (утв.НГ 25.07.96г.), принята на Куйбышевской ж.д. для организации разработок и внедрения компьютерных технологий в управление путевым хозяйством.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на НТС отделения путевого хозяйства ВНИИЖТа (Москва, 1986г.), на НТС рельсовой лаборатории отделения путевого

хозяйства ВНИИЖТа (Москва, 1984г.), на расширенном совещании лаборатории комплексных технико-экономических исследований отделения путевого хозяйства ВНИИЖТа (Москва,1983г.), в лаборатории надежности и долговечности ГНИИНмаш АН СССР, (Москва,1986г.), на Всесоюзной н.-т. конференции "Проблемы улучшения системы ведения путевого хозяйства ж.д." (Калуга,1985г.), на Всесоюзной н.-т. конференции "Новые принципы ультразвуковой дефектоскопии" (Ленинград, 1986г.), на Всесо�