CC BY
33УДК 656.2:625.033
А. А. Севостьянов, А. С. Кочетков, Д. С. Стрелков
Анализ воздействия поездов на железнодорожный путь в условиях Среднесибирского хода
Поступила 13.05.2020
Рецензирование 04.06.2020 Принята к печати 22.09.2020
Для реализации планов по увеличению осевой нагрузки до 27-30 т/ось и межремонтного срока службы железнодорожного пути до 2,5 млрд т необходим комплекс мероприятий, направленный на поддержание межремонтного срока железнодорожного пути. Для повышения эффективности как текущего содержания, так и промежуточных ремонтов необходимо определить характер эксплуатации железнодорожного пути в условиях тяжеловесного движения. В статье приведен опыт использования измерительного тензометриче-ского комплекса на участке Среднесибирского хода. Измерения проводились с целью определения и последующего анализа вертикальных сил и напряжений в кромках подошвы рельса от колес тяжеловесных поездов, в составе которых находились инновационные вагоны с осевой нагрузкой до 25 т/ось. На данном участке существуют сложности в текущем содержании пути, выраженные в большом количестве дефектных рельсов и отступлений по геометрии рельсовой колеи. Для выявления воздействия, передаваемого от колес подвижного состава на рельс, применялся измерительный микропроцессорный быстродействующий тензо-метрический комплекс «Динамика-3». Определены средние и максимальные значения вертикальных сил и напряжений в кромке подошвы рельса. Рассмотрен характер распределения вертикальных сил по величине при осевой нагрузке 23,3 и 24,4 т/ось. Также выявлен ряд значений вертикальных сил, который был образован вследствие воздействия на рельс колес с дефектами поверхности катания. Полученные результаты могут быть использованы как обоснование необходимости корректировки планирования и организации текущего содержания и промежуточных ремонтов железнодорожного пути в условиях Среднесибирского хода.
Ключевые слова: железнодорожный путь, текущее содержание пути, рельс, осевая нагрузка, измерение, воздействие подвижного состава, динамическая сила.
Необходимость наращивания объемов грузоперевозок на железнодорожном транспорте приводит к увеличению либо веса поезда, либо осевой нагрузки. Согласно [1], к 2030 г. для перспективных участков перевозки угля, нефти и руды необходимо обеспечить беспрепятственный пропуск грузовых поездов с повышенными осевыми нагрузками до 30 т/ось составом весом до 9 тыс. т. К таким участкам относится Среднесибирский ход, где в настоящее время доля поездов повышенного веса составляет свыше 45 %.
На данный момент на Западно-Сибирской железной дороге доля вагонов с осевой нагрузкой 25 т/ось составляет 10-12 % в зависимости от объемов перевозки. Исследования воздействия повышенных осевых нагрузок показывают возможность увеличения как осевой нагрузки, так и доли поездов с повышенной осевой нагрузкой [2-4]. Тем не менее на отдельных участках наблюдается повышенный отказ элементов верхнего строения пути и ухудшение балловой оценки состояния геометрии рельсовой колеи [5, 6]. Для реализации Стратегии [1] к 2030 г. планируется увеличение межремонтного срока железнодорожного
пути до 2,5 млрд т брутто, что без мероприятий, направленных на повышение эффективности ремонтов, качества элементов верхнего строения пути, а также совершенствование организации производства как ремонтных работ, так и работ по текущему содержанию пути, не представляется возможным.
Для разработки мероприятий по повышению эффективности промежуточных ремонтов железнодорожного пути в условиях движения тяжеловесных поездов необходимо выявить особенности эксплуатации данных участков. Для этого на участке Среднесибирского хода в ноябре 2019 г. был заложен тен-зометрический комплекс с целью выявления в кромках подошвы рельса вертикальных сил и напряжений, передаваемых от колесных пар поездов. Основные эксплуатационные характеристики участка представлены в табл. 1.
Стоит отметить, что на данном участке в 2017 г. была проведена сплошная смена рельсов в объеме среднего ремонта пути (РС), а также произведена машинизированная планово-предупредительная выправка пути (1111В) в 2018 г., тем не менее в 2019 г. были выявлены дефекты
Таблица 1
Основные эксплуатационные показатели участка
Наименование Характеристика
Класс и код группы 1О
Номер пути I
Грузонапряженность, млн т км брутто/км в год 128,9
Конструкция пути Бесстыковая
Год укладки 2009
Последний ремонт (год) ППВ (2018)
Категория рельсов ДТ-350
Тип скреплений КБ-65
Пропущенный тоннаж, млн т 1 217 (290)*
Участок пути Прямой
* В скобках указана величина пропущенного т
рельсов, вследствие чего на данном участке уже имеется ряд мест временного восстановления.
Участок был выбран исходя из того, что на данном километре среднее количество отступлений по геометрии рельсовой колеи (ГРК) за три последних года составило 11,7 шт., в то время как в целом по дистанции среднее количество отступлений составляет 3,94 шт./км; это говорит о том, что участок достаточно проблемный. На рис. 1 представлен график отступлений по ГРК на данном километре за последние три года.
Максимальное количество отступлений замечено в мае 2018 г., что связано с большим количеством отступлений по уширению (38 шт.). Тем не менее за последние три года лишь 26,4 % отступлений приходилось на ширину колеи (уширения и сужения), что говорит о проблемах, связанных с содержанием
ша после проведения РС.
подшпального основания. Отступления на участке представлены в основном просадками и перекосами (35 и 31 % соответственно).
По рисунку видно, что, несмотря на проведенные ремонты (РС в 2017 г. и ППВ в 2018 г.), в 2019 г. отступления на данном километре превышали среднее значение по дистанции. С целью исключения влияния дополнительного воздействия измерительный комплекс был установлен на участке, на котором за после дний год отступлений не было выявлено.
Тензометрический комплекс для измерения вертикальных сил и напряжений в кромке подошвы рельса включает в себя пары тензомет-рических датчиков сопротивлением 200 Ом, типа 2 ФКП-10-200-А-12-С, закрепленных на линии влияния рельса и на кромке подошвы как с внутренней стороны, так и с наружной. Датчики устанавливались в середине двух
50
н'
Э 40
«
к к
§ 30 с
ЕГ
2 20 о
о и н о и ЕТ
к
Ч
О «
10
мм
г- г- г- г- г- 8 8 00 8 8 о\ о\
янв. т тар ам й а ам 1 .б я яон янв. т тар ам « 03 а 1 .б я яон янв. т тар ам
Месяц, год
Рис. 1. График отступлений по ГРК
шпальных ящиков с целью исключить влияние реакции подрельсовых опор. Схема установки тензорезисторов представлена на рис. 2, а общий вид измерительного участка - на рис. 3.
Для обработки и расшифровки данных применялся комплекс измерительный микропроцессорный быстродействующий тензомет-рический «Динамика-3». Принцип действия данного комплекса основан на системной организации совместной автоматизированной работы средств измерений, сбора, обработки, передачи и представления измерительной информации параметров электрической цепи [7].
В работе [8] обоснована возможность использования данного способа для выявления вертикальных сил, а также представлено спе-
циализированное устройство для калибровки измерительного участка.
В табл. 2 перечислены характеристики поездов, при проходе которых со средней скоростью движения от 50 до 60 км/ч обрабатывались результаты измерений.
Так как статическая нагрузка от колес локомотива известна, путем ее сравнения с полученными значениями нагрузок от колес вагонов определялись фактические значения вертикальных сил. Значения напряжений в кромках подошвы устанавливались калибровкой тензо-метрического комплекса, с помощью магазина сопротивлений.
Стоит отметить, что в составе поездов Б находились инновационные вагоны с осевой нагрузкой до 25 т/ось. Результаты регистрации
Рис. 2. Схема измерительного участка: ТогТь - пара тензорезисторов (а, Ь - номера каналов тензосистемы)
Рис. 3. Фотография измерительного участка
Характеристики поездов
Таблица 2
Характеристика Поезда А Поезда Б
Тип локомотива ВЛ80С 1,5ВЛ80С
Средний вес поезда брутто, т 7960 6250
Количество вагонов, шт. 85 64
Осевая нагрузка вагонов, т/ось 23,4 24,4
сигналов (приращений электрического сопротивления) с тензометрических датчиков обрабатывались в измерительном блоке комплекса «Динамика-3». В качестве примера на рис. 4 представлены графики регистрации сигналов, на которых отчетливо видны изменения приращения электрического сопротивления в тензо-резисторах при проходе поезда. Каждый график дает информацию в виде сигнала об изменении сопротивления определенного тензорезистора, номер которого закреплен каналом (см. рис. 2).
В результате обработки результатов измерений были выявлены максимальные, минимальные и средние вертикальные силы и напряжения в кромках подошвы рельса, а также среднеквадратическое отклонение (СКО) значений вертикальных сил (табл. 3).
Разница средних значений вертикальных сил между поездами незначительна (на разницу осевой нагрузки в 4,5 % приходится увеличение
на 4,47 % от средней вертикальной силы). Максимальные значения вертикальных сил и напряжений при осевой нагрузке 24,4 т/ось возрастают в среднем на 3,5 и 11 % соответственно.
На рис. 5 представлена гистограмма распределения вертикальных сил от колес поезда с осевой нагрузкой 24,4 т/ось, полученных в результате обработки сигналов, зарегистрированных парами тензорезисторов Т0-1 и Т5-6, на которой видна разница распределения сил в зависимости от пары тензорезисторов. Данное различие объясняется вероятностным распределением сил по причине упругого прогиба пути.
В дальнейшей обработке использовались среднеарифметические значения полученных сил от сигналов Ты и Т5-6. Также выявлены значения, которые выбиваются из общего порядка (186 и 196 кН), было определено, что данные вертикальные силы возникли вследствие воздействия колес с наличием дефекта (рис. 6).
и
400
300
ев Ч ев К и
§ 200 и
к
а 100
0 -100 -200 -300 -400
А 'I I I I I I I I I
М I I I I
1ЯУ
Л .
Л /Л\
\# /» \ I" \ I" \1
'/ V./ ------V V \\ /
/✓ \\ п \\
'» ; V
1 /Л\ ¡1 V-
\ // ч '/ ^
1-1-1—
0,6 0,7 0,8 0,9
• Канал 0
—1-1-1-1-1-1-1-1-1
1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8
Время, с
• Канал 1 -----Канал 2--Канал 3
Рис. 4. График регистрации сигналов по каналам 0-3 Результаты измерения вертикальных сил и напряжений
Таблица 3
Параметр Поезда А Поезда Б
СКО вертикальных сил, кН 9,89 11,31
Максимальная сила, кН 139,13 144,03
Минимальная сила, кН 84,60 91,82
Среднее значение сил, кН 110,37 115,30
Максимальное напряжение в кромках подошвы, МПа 46,20 51,34
§ 20 с й 18 ы 1 16 а £ 14 | 12 тн 10 е я о о8 Пр 8 П6 4 2 0 -
и
1
1
1
1 1
1
1 =
те 1. I | I II 1 ш ш
£ * * ^Р ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^р ^Ч ^ ^Ч ^р ^Ч ^о Диапазон значений вертикальных сил, кН ИИ Пара тензодатчиковТо-1 э Пара тензодатчиковТг-б >
Рис. 5. Распределение вертикальных сил от поезда с осевой нагрузкой 24,4 т/ось
500
и
^ 400
I 300 и
* 200 и
I 100
5 п к 0 го
-100 -200 -300 -400 -500
Канал 2 Канал 3
Канал 0 Канал 1
Дефект
Рис. 6. Пример сигнала вертикальной силы,
В работах [9, 10] приведена методика выявления дефектов поверхности катания колес грузового вагона с использованием тензомет-рической системы. В дальнейшем ярко выраженные вертикальные силы, образованные вследствие воздействия на рельс колес с дефектами поверхности катания, были исключены из анализа.
На рис. 7 представлена гистограмма распределения вертикальных сил в зависимости от осевой нагрузки.
Обе выборки отвечают гипотезе о нормальном распределении. На гистограмме видна разница в вероятности распределения вертикаль-
возникшего по причине дефектности колеса
ных сил: начиная с величин свыше 125 кН значения вертикальных сил от осевых нагрузок
23.3 и 24,4 т/ось разнятся. Процентное соотношение разницы в распределении вертикальных сил представлено на рис. 8.
Из диаграммы разницы в распределении сил (см. рис. 8) видно, что при осевой нагрузке
24.4 т/ось вертикальные силы, по сравнению с силами от осевой нагрузки 23,3 т/ось, увеличиваются на 14 % в диапазоне от 125 до 145 кН.
Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что в современных условиях эксплуатации на отдельных участках Среднесибирского хода существует проблема в текущем со-
§ 25
о
20
«
н а
<и «
<и Я О
£
15
10
85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150
Значение вертикальной силы, кН шиш! Распределение от осевой нагрузки 24,4 т/ось = Распределение от осевой нагрузки 23,3 т/ось
-Теоретическое распределение для осевой нагрузки 24,4 т/ось
--Теоретическое распределение для осевой нагрузки 23,3 т/ось
Рис. 7. Распределение вертикальных сил в зависимости от осевой нагрузки
К
,а л и с
5
н ь л а к и
т р
е
т
145 135 125 115 105 95 85
-4
-2
0 2 4 6
Разница в распределении сил, %
5
0
Рис. 8. Разница в распределении вертикальных сил между осевыми нагрузками 23,3 и 24,4 т/ось
держании пути, выраженная как в отказе элементов верхнего строения пути, так и в повышенном количестве отступлений по геометрии рельсовой колеи. Причиной этому могут служить как недостатки организации и планирования текущего содержания и промежуточных ремонтов, так и влияние тяжеловесного движения.
В ходе работы установлено, что средние и максимальные значения вертикальных сил и напряжений не дают полной картины влияния повышенной осевой нагрузки на железнодорожный путь. При подробном рассмотрении распределения вертикальных сил определено, что при повышенной осевой нагрузке (24,4 т/ось)
увеличивается процент вертикальных сил выше средних значений, чем при нагрузке в 23,3 т/ось. В диапазоне от 125 до 140 кН увеличение вертикальных сил составило 12,2 %, а от 140 до 145 кН - 1,8 %. Подобное распределение может приводить к повышенному отказу элементов верхнего строения пути и расстройству подшпального основания.
Также был выявлен ряд вертикальных сил (196 кН), которые значительно превосходили максимальное значение сил вследствие дефектности поверхности катания колес и были исключены из анализа. В составе поездов Б находились инновационные вагоны с осевой нагрузкой 25 т/ось, техническое состояние которых значи-
тельно лучше, чем у вагонов в составе поездов А. Учесть возможные дефекты и неисправности рессорного комплекта и необрессоренной части вагонной тележки, что могло бы повлиять на увеличение вертикальных сил от поездов с осевой нагрузкой 23,3 т/ось, в данной работе не представляется возможным.
В дальнейшем необходимо увеличение статистических данных, а также проведение экспериментальных измерений в различные сезоны
года (лето, весна, зима) для оценки степени влияния климатических условий.
Проведение исследований в области работы железнодорожного пути в условиях тяжеловесного движения на участках Среднесибирского хода позволит предложить корректировки в планировании и организации как текущего содержания, так и промежуточных ремонтов с целью увеличения межремонтного срока железнодорожного пути в тяжелых условиях эксплуатации.
Библиографический список
1. Стратегия развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 года : утв. распоряжением Правительства Российской Федерации от 17.06.2008 № 877-р. М., 2008. 174 с.
2. Работа пути в условиях тяжеловесного движения / В. О. Певзнер, И. Б. Петропавловская, В. В. Третьяков, О. А. Суслов [и др.] // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути : тр. XIII Междунар. науч.-техн. конф. (г. Москва, 31 марта - 1 апреля 2016 г.) : чтения, посвящ. памяти проф. Г. М. Шахунянца. М. : МИИТ, 2016. С. 138-140.
3. Сравнительный анализ воздействия на путь вагонов с различными осевыми нагрузками / В. О. Певзнер, И. Б. Петропавловская, В. В. Третьяков [и др.] // Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство. 2016. № 9. С. 68-75.
4. Певзнер В. О., Шутов Д. А., Бороздин А. Ю. Организация технического обслуживания пути при пропуске тяжеловесных поездов по участкам со старогодним верхним строением пути // Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство. 2015. № 8. С. 209-211.
5. Ермаков В. М., Акашов А. Н. Оптимизация затрат на техническое обслуживание железнодорожного пути // Железнодорожный транспорт. 2009. № 12. С 32-35.
6. Акашов А. Н. Конструктивно-технологические и организационные решения по повышению стабильности геометрии рельсовой колеи на участках обращения поездов повышенного веса и длины : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.22.06. М., 2010. 24 с.
7. Приложение к свидетельству № 65459 об утверждении типа средств измерений «Комплексы измерительные микропроцессорные быстродействующие тензометрические «Динамика-3» / ФГУП «СНИИМ». Новосибирск, 2017. 4 с.
8. Разработка средств мониторинга динамических процессов взаимодействия колес и рельсов в эксплуатации / С. А. Бехер, Т. В. Сыч, А. О. Коломеец, А. С. Кочетков // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2018. № 3. С. 33-42.
9. Степанова Л. Н., Бехер С. А., Кочетков А. С. Особенности использования быстродействующей тензометрии для контроля колес грузовых вагонов в движении // Вестник РГУПС. 2010. № 2. С. 53-57.
10. Тензометрическая система для обнаружения дефектов поверхности катания колес грузового вагона / Л. Н. Степанова, С. А. Бехер, А. С. Кочетков, А. О. Коломеец // Датчики и Системы. 2013. № 10. С. 38-44.
A. A. Sevostyanov, A. S. Kochetkov, D. S. Strelkov
Analysis of the Trains Impact on the Mid-Siberian Railway
Abstract. To implement the plans to increase the axial load to 27-30 t/axle and the inter-repair period of the railway track to 2.5 billion tons, a set of measures is needed to maintain the inter-repair period of the railway track. To improve the efficiency of both maintenance and preventive repairs, it is necessary to determine the degree of influence of increased load. The article presents the experience of using a measuring system on the section of the Mid-Siberian Railway. The measurements were carried out to determine the vertical forces and stresses from the wheels of a train, which included innovative cars with a load of up to 25 t/axle. On this section, there are difficulties in the current track content, expressed in a large number of defective rails and deviations in the geometry of the track. To detect the impact from the wheels of the rolling stock to the rail, a high-speed measuring microprocessor strain gauge complex Dynamics-3 was used. The average and maximum values of vertical forces and stresses in the edge of the rail sole are determined. The nature of vertical forces distribution by magnitude at an axial load of 23.3 and 24.4 t/axle is considered. A number of vertical forces values were also revealed, that was formed as a result of the impact on the rail of wheels with defects in the rolling surface. The obtained results can be used as a
justification for the need to adjust the planning and organization of the current maintenance and intermediate repairs of the railway track in the conditions of the Mid-Siberian Railway.
Key words: railway track; maintenance of track; rail; axle load; measurement; impact of rolling stock; dynamic force.
Севостьянов Александр Александрович - аспирант кафедры «Путь и путевое хозяйство» СГУПС. E-mail: [email protected]
Кочетков Антон Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника, диагностика и сертификация» СГУПС. E-mail: [email protected]
Стрелков Дмитрий Александрович - дорожный мастер линейного участка № 10 Каменской дистанции пути - структурного подразделения Западно-Сибирской дирекции инфраструктуры. E-mail: [email protected]
