УДК
625.12;656.256
Омаров Амангельды Джумагалиевич –
д.т.н., профессор,
ректор
Казахского университета путей сообщения, Алматы
Нусупбеков Серик Имансерикович
– к.э.н.
директор Алматинского
политехнического колледжа (Алматы)
ОЦЕНКА
НАДЕЖНОСТИ ШПАЛ
Надежность железнодорожного пути во многом
определяется надежностью подрельсового основания, от исправной работы который
зависит бесперебойность и безопасность движения поездов. Ненадежность связей
рельсов со шпалами приводит к нарушению ширины колеи и угону пути, а шпал с
балластом - к накоплению остаточных продольных и поперечных смещений всей
рельсошпальной решетки. Ликвидация последствий отказов горизонтальных связей
требует выполнения сложных и трудоемких работ по регулировке ширины колеи,
рихтовке пути и регулировке зазоров. Отказы связей часто происходят на участках
с мощным верхним строением пути, имеющим небольшой наработанный тоннаж.
За последние годы выполнен ряд исследований,
касающихся надежности железнодорожного пути /1-3/. Однако решены далеко еще не
всё вопросы обеспечения надежности связей рельсов с основанием. Решение задачи
создания конструкций верхнего строения пути, имеющих необходимую надёжность
связей рельсов с основанием, требует нового методологического подхода. Такой
подход может быть основан на теории надежности, теории взаимодействия пути и
подвижного состава, теории взаимодействия элементов рельсошпальной решетки под
поездной нагрузкой, учёте экспериментальных данных и нормативных документов.
Использование физических закономерностей, описывающих
старение конструкции пути и возрастание со временем силового воздействия на неё
от подвижного состава, позволяет получить модели для оценки изменения безотказности
связей рельсов с основанием и рассмотреть влияние основных факторов,
определяющих уровень надежности пути.
Все существующие конструкции пути эксплуатируются в
условиях накопления местных остаточных деформации и других повреждений практически
во всех элементах: в верхней части головки рельсов, в прокладках между рельсами
и шпалами, в шпалах под подкладками и в зонах их контактов со щебенками, в
балластном слое и в верхней части земляного полотна. Кроме того, в процессе
эксплуатации истираются (изнашиваются) контактные зоны элементов пути;
ослабляются соединения рельсов со шпалами; снижается несущая способность шпал
вследствие старения; образуются «выплески» и ослабление балластного слоя из-за
его засорения; накапливаются расстройства пути в плане, профиле и по ширине
колеи. Скорость развития всех указанных процессов нелинейно возрастает с
увеличением наработки после капитального ремонта пути.
Железнодорожный путь как объект надежности имеет две
характерные особенности: большую протяженность и необходимость восстановления
работоспособного состояния после отказа на месте в условиях его функционирования.
Путь - многоэлементный ремонтируемый и восстанавливаемый объект надежности. Он
не резервирован по основному несущему элементу - рельсу и имеет нагрузочное
резервирование по элементам рельсового основания. Другими словами, отказ рельса
является отказом пути в целом, а отказ какого-либо элемента рельсового
основания, например шпалы, подкладки, прикрепителя, не является отказом пути,
так как соседние элементы воспринимают нагрузку на себя и этим обеспечивают
нагрузочное резервирование /3/.
Опыт показывает, что шпалы, эксплуатирующиеся примерно
в равных условиях, при одинаковых объемах перевозок отказывают в различное
время вследствие существующего разброса прочностных свойств древесины, качества
обработки антисептиками, условий опирания шпал в балласте, наличия неровностей
на поверхности катания рельсов, в т.ч. стыков. Следовательно, повреждение шпал
- случайный процесс, а пропущенный тоннаж до отказа шпалы - случайная величина.
Применение модели нормального распределения
обусловлено следующим: отказы шпал вызываются многими факторами, каждый из
которых оказывает определенное воздействие на развитие дефектов; теоретическое
распределение должно иметь монотонно возрастающую функцию интенсивности
отказов, так как известно, что с ростом наработки повышается интенсивность
отказов шпал.
При обработке данных об отказах шпал необходимо
учитывать, что на грузонапряженных участках продолжительность эксплуатации пути
(в годах) сокращается, и можно получить данные о наработках до отказа только
части шпал, т.е., как и в случае с рельсами, в нашем распоряжении есть цензурированные
(ограниченные) справа выборки /2/.
Исходная информация об отказах шпал собирается по
ведомостям покилометрового учета замененных шпал и
отчетам о наличии в пути негодных шпал. При проведении статистических
экспериментов выполняется следующее условие: данные об отказах шпал собираются
на участках, характеризующихся определенным набором основных признаков
(грузонапряжённость, нагрузки на ось, скорость движения поездов, тип верхнего
строения, план и профиль пути).
Результаты статистической обработки данных об отказах
шпал представляются в виде сгруппированного ряда, полученного по результатам статистического
эксперимента, выполненного на одном из участков железной дороги.
При построении сгруппированного ряда весь диапазон
наработки делится на интервалы. Для каждого интервала подсчитывалась частота
отказов шпал R(t) нарастающим итогом. По
частоте определялось значение частости F(ti)
, (1)
где
NШ - средняя эпюра шпал.
Эмпирическая квантиль Upi находилась
по частости F(ti) с
использованием табулированных значении функций F(ti) = Р.
Оценки параметров нормального распределения
долговечности шпал ТСР и s определялись методом квантилей в сочетании с методом
наименьших квадратов.
Прогнозирование отказов шпал производится также, как и
рельсов:
nШti)=NШ F(ti), (2)
здесь
NШ - количество шпал на километре (эпюра).
Существующие отечественные железобетонные шпалы
достаточно надежны, чтобы обеспечивать надежность пути в целом в части,
зависящей от шпал в период первой части срока своей службы, т.е. в период между
смежными обновлениями (заменой) рельсошпальной решетки. По проектным данным
существующие железобетонные шпалы рассчитаны на срок службы 50 лет.
Сплошную смену рельсошпальной решетки на дорогах России производят в среднем
через 20-25 лет.
При повторном использовании снятой рельсошпальной
решетки и старогодных железобетонных шпал в отдельности возникает необходимость
определения их остаточного ресурса. К сожалению, теоретически такое определение
произвести невозможно, а экспериментальных данных пока недостаточно. В
настоящее время практикуется использование на малодеятельных линиях и на
станциях снятой старогодней рельсошпальной решетки
после необходимой ее переборки и ремонта на базах ПМС. Кроме того, используются
железобетонные шпалы для разрядки «кустовой» негодности деревянных шпал. Можно
планировать только совершенствование указанной нормативной базы в части
использования в локальных зонах изолированных неровностей на рельсах
специальных виброзащитных железобетонных шпал.
Важнейшим резервом ресурсосбережения на железных
дорогах Казахстана является расширение сфер применения железобетонных шпал.
Железобетонные шпалы, в отличие от деревянных, не подвержены гниению. Они
способны служить в малодеятельных путях с загрязненным и обводненным балластом
многие десятки лет, тогда как деревянные шпалы в таких условиях сгнивают через 10-15
лет. Поэтому применение на малодеятельных линиях (в том числе на станционных
путях) старогодных железобетонных шпал или новых облегченной конструкции с
позиции сокращения эксплуатационных расходов чрезвычайно важно. Разработанная
сейчас система использования железобетонных шпал (в том числе облегченных
конструкций) для разрядки кустовой негодности деревянных шпал (авторы В.Б.
Каменский и В.М. Ермаков) /4/ должна повсеместно реализовываться на дорогах
Казахстана. В ближайшем будущем эффект от такой реализации будет непрерывно
возрастать.
Железобетонные шпалы предназначены для применения на железнодорожных
путях всех классов, установленных Положением о системе ведения путевого
хозяйства на железных дорогах Российской Федерации (далее - Положением) /5/ в
зависимости от грузонапряжённости, скоростей движения поездов и плана пути.
В пути применяют как новые железобетонные шпалы
первого и второго сорта, так и старогодные шпалы, повторно используемые после
первого срока службы в пути /6/.
На путях 1 и 2 классов следует применять новые
железобетонные шпалы первого сорта.
На путях 3, 4 и 5 классов следует применять
старогодные железобетонные шпалы. Допускается в конкретных условиях при
технико-экономическом обосновании применять новые железобетонные шпалы первого
сорта на путях 3, 4 и 5 классов, второго сорта - на путях 4 и 5 классов.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Карпущенко Н.И. Надёжность связей рельсов с
основанием. - М.: Транспорт, 1986. - 150 с.
2.
Управление техническими состояниями пути / Н.И. Карпущенко,
В.А. Грищенко, Г.К. Щепотин- Новосибирск: СГУПС,
1995. - 2005 с.
3.
Надёжность железнодорожного пути / B.C. Лысюк, В.Б.
Каменский, Л.В. Башкатова. - М: Транспорт, 2001. - 286 с.
4.
Каменский В.Б., Ермаков В.М. Усиление пути с деревянными шпалами // Путь и
путевое хозяйство. №8, 1999. - С. 8-11.
5.
Положение о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах Российской
Федерации / МПС РФ. Утв. 27.04.2001 г. - М., 2001. - 79 с.
6.
Технические указания по ведению шпального хозяйства с железобетонными шпалами
/ ОАО «РЖД». - М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. - 37 с.