Введение к работе
Актуальность работы
Основной задачей технического обслуживания объектов путевой инфраструктуры является поддержание необходимого уровня безопасности движения и показателей надежности и работоспособности элементов его составляющих, что требует затрат финансовых, материальных и иных ресурсов. В условиях ограниченности ресурсов принятие неверного решения может привести к ошибкам в планировании работ по ремонтам и текущему содержанию, а участки пути, которые по действующим правилам оценки требуют выполнения работ, могут иметь достаточно высокий уровень надежности. С другой стороны, малонадежные участки пути продолжают эксплуатироваться без выполнения на них каких-либо предупреждающих мероприятий. В результате таких ошибок увеличиваются перерасход ресурсов и вероятность возникновения отказов пути.
Бесстыковой путь является одной из наиболее прогрессивных конструкций верхнего строения пути. Эксплуатационные преимущества бесстыкового пути над звеньевым обеспечили стабильный рост полигона его укладки. На текущий момент протяженность бесстыкового пути составляет 91 тыс. км или 72,9% от общей длины главных путей - этот факт свидетельствует о том, что сеть перешла на массовую эксплуатацию бесстыкового пути. В то же время основные принципы, которые применяются при техническом обслуживании бесстыкового пути, особенно в части диагностики его текущего состояния, были сформированы на основе более полуторавекового опыта эксплуатации звеньевой конструкции и, как показал проведенный анализ, не в полной мере учитывают особенности бесстыкового пути, связанные с его температурной работой.
В процессе эксплуатации, при изменении фактической температуры рельсовых плетей, помимо отказов, связанных с состоянием геометрии рельсовой колеи и элементов верхнего строения, изменяется вероятность появления специфических отказов, наиболее характерных для бесстыкового пути, таких как «выброс пути», «угол в плане», «сдвиг пути» - отказов, связанных с потерей устойчивости рельсошпальной решетки, а также отказов, связанных с разрушением рельсов - «излом плети». Наиболее частыми являются отказы, связанные с потерей устойчивости пути. Средняя частота появления случаев потери устойчивости за период 2003-2016 г.г. - 9,4 случаев в год (из них 2,4 случая привели к сходу), против 0,15 случаев в год, приведших к сходу подвижного состава при сквозных изломах рельсовых плетей. Как показывает практика эксплуатации, сходы подвижного состава, вызванные потерей устойчивости, сопровождаются значительным экономическим ущербом, а при наиболее неблагоприятных исходах - человеческими жертвами.
Обеспечение безопасности движения в части, зависящей от путевой инфраструктуры, в условиях ограниченности ресурсов для технического обслуживания требует выполнения двух основных условий:
1. Получение объективной информации о состоянии надежности и
функциональной безопасности путевой инфраструктуры.
2. Создание системы поддержки принятия технически и экономически
обоснованных решений по техническому обслуживанию путевой
инфраструктуры, основанной на данных о состоянии ее надежности.
Выполнение вышеперечисленных условий и обеспечение должного уровня безопасности движения по отказам выброса и сдвига пути требует решения следующих, актуальных и не решенных в полном объеме на сегодняшний день, задач:
разработка методик, позволяющих определять фактический уровень надежности бесстыкового пути по отказам выброса и сдвига пути, а также критериев оценки полученных результатов;
разработка технически обоснованных мероприятий, направленных на снижение вероятности появления отказа до минимально установленного уровня;
разработка системы поддержки принятия организационно-технических решений, обеспечивающих безопасность движения с учетом полученных значений вероятности появления отказов.
Цель работы
Обеспечение заданного уровня безопасности движения поездов в части, зависящей от температурной работы бесстыкового пути, на основе определения и анализа вероятностей появления отказов по причинам выброса и сдвига, а также разработка комплекса организационно-технических мероприятий, направленных на снижение вероятности появления таких отказов до минимально установленного уровня.
Методика исследования
Методика основана на использовании комплекса теоретических и экспериментальных исследований, среди которых:
- методы строительной механики, динамики сооружений и устойчивости
конструкций;
- методы вероятностного расчета надежности строительных конструкций и
сооружений;
- численные методы расчета конструкций верхнего строения
железнодорожного пути с помощью электронно-вычислительных машин;
экспериментальные исследования потери устойчивости участка пути посредством создания критических продольных усилий в рельсовых плетях;
методы статистической обработки результатов экспериментов и их корреляционного анализа;
методы моделирования процессов потери устойчивости бесстыкового пути.
Научная новизна
Научную новизну представляют:
- аналитические модели определения уровня вероятности появления
отказов по причинам температурного выброса и сдвига рельсошпальной решетки
бесстыкового пути, позволяющие определить величину риска появления этих
отказов при различных значениях неровностей колеи в плане, состояниях элементов верхнего строения пути с учетом фактического температурного режима плетей и динамического воздействия от подвижного состава;
- критерии оценки уровней вероятностей появления отказов по причинам
температурного выброса и сдвига рельсошпальной решетки бесстыкового пути,
разработанные на основе методики допусков «разумного» риска и принципов
«три сигма».
Практическая ценность диссертации:
1. На основе разработанных аналитических моделей расчета уровня
вероятности появления отказов по причинам температурного выброса и сдвига
рельсошпальной решетки бесстыкового пути и нейросетевой реализации модели
расчета коэффициента изменения нормативной устойчивости бесстыкового пути
определены:
значения вероятностей появления температурного выброса бесстыкового пути для прямых и кривых участков пути при различных величинах допускаемых неровностей в плане;
значения вероятностей появления температурного выброса бесстыкового пути для прямых и кривых участков пути при сочетании неровностей в плане и отступлений от норм устройства балластного слоя;
значения вероятностей появления сдвига рельсошпальной решетки при различных величинах допускаемых неровностей в плане для прямых и кривых участков пути в зависимости от скорости движения подвижного состава и величины осевой нагрузки;
значения вероятностей появления сдвига рельсошпальной решетки при сочетании неровностей в плане и отступлений от норм устройства балластного слоя для прямых и кривых участков пути в зависимости от скорости движения подвижного состава и величины осевой нагрузки.
2. На основе разработанных критериев оценки значений вероятностей
появления отказов по причинам температурного выброса и сдвига
рельсошпальной решетки бесстыкового пути определены:
- допускаемые значения неровностей в плане для прямых и кривых участков
пути в зависимости от требований нормативного документа, по которому
выполнено устройство участка бесстыкового пути;
- допускаемые значения отступлений балластной призмы для прямых и
кривых участков пути в зависимости от требований нормативного документа, по
которому выполнено устройство участка бесстыкового пути.
3. На основе аналитической модели расчета вероятности появления отказа
выброс и нейросетевой реализации модели расчета коэффициента изменения
нормативной устойчивости бесстыкового пути разработана, реализована в виде
программного комплекса «КАПС БП УРРАН» и внедрена в эксплуатацию на сети
дорог методика контроля и оценки состояния бесстыкового пути на основе
данных, получаемых по результатам проходов путеизмерительных средств,
оборудованных подсистемами контроля устойчивости бесстыкового пути,
включая систему поддержки принятия организационно-технических решений,
обеспечивающих безопасность движения с учетом полученных значений вероятности появления отказов.
На защиту выносятся:
аналитические модели определения уровня вероятности появления отказов по причинам температурного выброса и сдвига рельсошпальной решетки бесстыкового пути, позволяющие определить значение вероятности появления этих отказов при различных значениях неровностей колеи в плане, состояниях элементов верхнего строения пути с учетом фактического температурного режима плетей и динамического воздействия от подвижного состава;
нейросетевая реализация модели расчета коэффициента изменения нормативной устойчивости бесстыкового пути, позволяющая определить значение этого коэффициента при различных значениях неровностей колеи в плане и состояниях элементов верхнего строения пути, в т.ч. балластного слоя;
- методика контроля и оценки состояния бесстыкового пути на основе
данных, получаемых по результатам проходов путеизмерительных средств,
оборудованных подсистемами контроля устойчивости бесстыкового пути;
- система поддержки принятия организационно-технических решений, обеспечивающих безопасность движения с учетом полученных значений вероятности появления отказов.
Реализация и апробация работы
Основные положения диссертации доложены и одобрены:
на третьей международной научно-практической конференции
Безопасность регионов - основа устойчивого развития, проведенной
Правительством Иркутской области совместно с Иркутским государственным университетом путей сообщения 10-12 апреля 2013 г.;
на IX научно-технической конференции с международным участием, проходившей в МИИТе 4 - 5 апреля 2012 г.;
на заседании секции «Путевое хозяйство» научно-технического совета ОАО «РЖД», протокол №26 от 21.07.2015 г.;
на расширенном заседании секции «Путь и путевое хозяйство» научно-технического совета АО «ВНИИЖТ», протокол № 8 от 21 декабря 2016 г.
Основные положения диссертации реализованы в виде:
«Методика контроля и оценки состояния бесстыкового пути на основе данных, получаемых по результатам проходов путеизмерительных средств, оборудованных подсистемами контроля устойчивости бесстыкового пути», утвержденная распоряжением ОАО «РЖД» 25 декабря 2014г №3120р .
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 24 печатных работах, из которых 12 опубликованы в изданиях, входящих в перечень рекомендуемых ВАК ведущих периодических изданий; 3 в изданиях, входящих в базу цитирования Scopus; 8 опубликованы в трудах конференций, в том числе с международным участием; в 1 патенте на полезную модель.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, списка литературы из 201 наименования и восьми приложений.