ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДОВ НА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БРУСЬЯХ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 625.151

Н. И. Карпущенко, Р. А. Комардинкин

Оценка долговечности стрелочных переводов на железобетонных брусьях

Поступила 03.02.2020

Рецензирование 14.02.2020 Принята к печати 25.03.2020

В статье приведены методика и результаты оценки долговечности стрелочных переводов проекта 2750 на железобетонных брусьях укладки 2004-2007 гг. грузонапряженного участка О-Н со смешанным движением грузовых и пассажирских поездов. Определен средневзвешенный и гамма-процентный ресурс стрелочных переводов в целом и их элементов: крестовин и ремкомплектов.

Стрелочный перевод проекта 2750 является одним из самых массовых проектов на Западно-Сибирской железной дороге, его доля - 9,7 % от общего числа стрелочных переводов. В последнее время его годовая укладка составляет около 60 %. Средний ресурс стрелочного перевода - это наработка от его укладки до снятия при капитальном ремонте. Гамма-процентный ресурс показывает наработку, в течение которой стрелочный перевод достигает предельного состояния с вероятностью Y процентов.

На участке О-Н скорости движения грузовых и пассажирских поездов по прямому направлению стрелочного перевода проекта 2750 установлены 90 и 120 км/ч соответственно, а по боковому - 50 км/ч. Средние осевые нагрузки по первому пути составляют 181 кН, по второму - 121 кН.

Данные об отказах элементов стрелочных переводов принимались за десятилетний период из информационной системы АСУ-Путь.

Анализ результатов исследований показал, что средневзвешенный ресурс стрелочных переводов проекта 2750 превышает 1 млрд т бр. наработки. Значение показателя в три раза больше нормативного, установленного Техническими условиями, и свидетельствует о слабой изученности жизненного цикла стрелочных переводов проекта 2750.

Анализ параметров нормативного распределения отказов крестовин и ремкомплектов позволил определить их ресурсы в различных условиях эксплуатации.

Ключевые слова: стрелочный перевод, крестовина, ремкомплект, надежность, гамма-процентный ресурс, безотказность, долговечность.

Общие положения

Для обеспечения роста железнодорожных перевозок, скоростей движения, осевых нагрузок и веса поездов необходимы опережающие темпы развития конструкций пути, его усиления и совершенствования, в том числе стрелочных переводов.

В настоящее время на дорогах магистрального железнодорожного транспорта Российской Федерации эксплуатируется около 166 тыс. стрелочных переводов. Годовая потребность замены конструкций, выработавших свой ресурс, составляет 5,5-8,5 тыс. переводов, 6-7 тыс. полустрелок (ремкомплектов), 5-6 тыс. отдельных крестовин [1].

В целях рационального ведения стрелочного хозяйства и планирования своевременной замены стрелочных переводов при выработке их ресурса ОАО «РЖД» использует указание Министерства путей сообщения Российской Федерации «О ведении нормативных сроков службы стрелочных переводов» от 19.12.2002 № С-1241у [2], а также Технические условия на

работы по реконструкции (модернизации) и ремонту железнодорожного пути, утвержденные 18.01.2013 [3], с изменениями и дополнениями от 19.12.2018 № 2722р [4].

В Указании [2] приведены исчисляемые нормативные сроки службы (пропущенный тоннаж) стрелочной продукции, а именно стрелок и крестовин обыкновенных стрелочных переводов, которые представлены в табл. 1.

Нормативный пропущенный тоннаж, приведенный в табл. 1, корректируется.

При помощи специальных коэффициентов учитывается влияние суммарного пропущенного тоннажа, осевых нагрузок подвижного состава при движении как по прямому, так и по боковому направлениям [2].

За 17 лет со времени введения рассматриваемых указаний условия эксплуатации и конструкции стрелочных переводов изменились, поэтому нормативы требуют переработки по результатам испытаний новых стрелочных переводов.

Таблица 1

Нормативный пропущенный тоннаж стрелочной продукции

Элементы стрелочных переводов Тип, марка перевода Тип брусьев Значение нормативного тоннажа для среднесетевых условий эксплуатации, млн т бр.

на главных путях на приемо-отправочных путях

Крестовины с литым сердечником из высокомарганцовистой стали Р65 1/9 ж.-б. 65 90

1/11 80 100

Р65 упрочненные 1/9 ж.-б. 70 90

1/11 90 100

Крестовины с подвижным гибким поворотным сердечником Р65 1/11 ж.-б. 275 -

1/18

1/22

Стрелки Р65 1/11 ж.-б. 275 325

1/9

Стрелки с гибкими остряками Р65 1/11 ж.-б. 275 325

1/18

1/22

Нормативный и гарантийный ресурсы верхнего строения пути в целом существенно больше, чем у стрелочных переводов (рис. 1).

В технических условиях на работы по реконструкции и ремонту железнодорожного пути [3, 4] представлены критерии выбора стрелочных переводов, подлежащих капитальному ремонту. На практике назначение ремонтов производится по фактическому состоянию стрелочного перевода, определяемому по результатам его комплексной оценки на основе диагностики и генеральных осмотров пути.

Методика исследований

Надежность есть свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемых промежутков времени или наработки. Надежность включает в себя понятия безотказности, долговечности и ремонтопригодности [5].

Наработкой называется продолжительность или объем работы объекта. Для железнодорожного пути это количество пропущенного (наработанного) тоннажа в миллионах тонн брутто.

I I

Рис. 1. Гарантийный и нормативный ресурсы элементов стрелочного перевода

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания.

Ресурс - это время работы или наработка объекта от начала эксплуатации или после капитального ремонта до предельного состояния, указанного в технической документации.

Средний срок службы (ресурс) до назначения капитального ремонта стрелочного перевода

г

Т =У Л

ср 1 п'

(1)

где ^ - наработанный тоннаж \ стрелочного перевода на данном участке, млн т бр.; п - количество / стрелочных переводов на данном участке, шт.

Среднее квадратическое отклонение ресурса

1

I (г, - Тср )2

(2)

Для оценки рассеивания используется коэффициент вариации:

«о

Т

(3)

Гамма-процентный ресурс показывает наработку, в течение которой изделие не достигнет предельного состояния с вероятностью у процентов. Считается, что гамма-процентный ресурс отражает характеристику вероятности неразрушения. Гамма-процентный ресурс Яу определяется из отношения

4 100

(4)

Для определения гамма-процентного ресурса стрелочных переводов по результатам эксплуатационных испытаний используется метод квантилей, связывающих параметры функции нормального распределения отказов с их долговечностью [6, 7].

Интегральная функция нормального распределения (нормированная и центрированная)

1 х

Ъ( х)=I

х - х2

2 ^х,

(5)

где х=(гу -ТсрК .

В этом случае по заданной вероятности безотказной работы Р определяется соответствующая ей наработка Ту. Квантиль порядка

Р представляет значение ир случайной величины х, для которой

>о (х) = ^ (ир )=Р ( 0 < Р < 1);

иР =

(Тср )иТ, =Т -Ц,о.

(6)

<0

р г-

В условиях отсутствия в нормативных документах определения предельного состояния стрелочных переводов для вероятности безотказной работы стрелочного перевода принят Р(0 = 90 %:

Т90 =Тср - и^г = Тш - 1,282»,.

(7)

Результаты исследования долговечности стрелочных переводов проекта 2750

На участке О-Н Транссибирского хода в 2004-2007 гг. производилась реконструкция главных путей с укладкой стрелочных переводов проекта 2750 на железобетонном основании. По состоянию на 01.01.2019 на этом участке содержался 341 комплект таких переводов. В настоящее время производится капитальный ремонт с укладкой модернизированной версии стрелочного перевода проекта 2750.

Стрелочный перевод проекта 2750 предназначен для работы на главных путях железнодорожных линий со смешанным грузопассажирским движением поездов. Полная длина перевода 34 858 мм. Радиус бокового пути 300 м. Максимальная скорость движения по прямому направлению - 140 км/ч, боковому -50 км/ч. Предусматривается последующая сварка рельсовых стыков в пути алюмотер-митным способом.

К особенностям конструкции стрелки относится использование гибких остряков с приварными рельсовыми окончаниями, сборных крестовин с приварными рельсовыми окончаниями и контррельсов из уголкового профиля, прикрепляемых к переводным брусьям.

Участок О-Н двухпутный, высокогрузо-напряженный с совмещенным грузовым и пассажирским движением и скоростями движения 90 и 120 км/ч. Средние осевые нагрузки подвижного состава по первому пути составляют 181 кН, по второму - 121 кН.

Результаты исследований представлены в табл. 2 отдельно для первого и второго путей с выделением стрелочных переводов, лежащих на диспетчерских съездах, по которым поезда следуют в основном по прямому

п

Таблица 2

Результаты расчета параметров долговечности стрелочных переводов проекта 2750 на участке О -Н

Участок, тип стрелочного перевода Ремонт Т ср ' млн т млн т доли ед. Т У ' млн т

О-Н, 1-й путь: диспетчерские съезды Р или Ксп 1071,46 196,08 0,18 868,32

ответвления на приемо-отправочные пути 1209,56 208,25 0,17 993,81

О-Н, 2-й путь: диспетчерские съезды Р или Ксп 854,4 173,32 0,2 678,84

ответвления на приемо-отправочные пути 635,1 150,46 0,24 479,22

направлению, и на ответвлениях приемо-от-правочных путей.

Из табл. 2 следует, что ресурс стрелочных переводов проекта 2750 на железобетонном основании в три раза больше нормативного ресурса, установленного Техническими условиями [3], что свидетельствует о слабой изученности надежности таких стрелочных переводов на протяжении жизненного цикла.

На рис. 2 показана схема нечетной горловины станции, на которой имеются диспетчер-

ские съезды и ответвления на приемо-отпра-вочные пути.

Стрелочные переводы 2-4, 2А-4А - диспетчерские съезды, расположенные, как правило, в горловинах станции. Стрелочные переводы 6, 8 - ответвления приемо-отправоч-ных путей.

Сравним фактический ресурс стрелочных переводов с нормативным (рис. 3).

На втором пути, где осевые нагрузки и грузонапряженность в 1,5 раза меньше, чем на

Рис. 2. Схематический план нечетной горловины станции К

н н о т

й

ын н е 3

уп о

£

1200 1000 800 600 400 200 0

1071,46

854,4 868,3

678,84

350 350

Средний ресурс Гамма-процентный ресурс

□ О-Н 1 путь ■ О-Н 2 путь □ норматив

Рис. 3. Средний и гамма-процентный ресурсы стрелочных переводов на диспетчерских съездах на участке О-Н 1-го и 2-го пути в сравнении с нормативным

первом, средний срок службы оказался также на 20 % меньше. Объяснить это несоответствие можно отсутствием научно обоснованных критериев предельного (предотказного) состояния стрелочных переводов на железобетонном основании, которые должны быть основой для назначения капитального ремонта.

Определение показателей безотказности

крестовин и ремкомплектов стрелочных переводов

В рассматриваемом случае под наблюдением находилось N0 = 336 крестовин стрелочных переводов проекта 2750. По данным АСУ-Путь фиксировались наработки, при которых происходили отказы крестовин, эти данные вносились в таблицу, в которой они размещались от минимальных до максимальных (табл. 3).

На основе результатов испытаний построена гистограмма распределения значений и (рис. 4). По виду гистограммы делается предположение о причастности полученного объема значений и к определенному (нормальному) закону распределения [5].

Для оценки правильности выбранной гипотезы использованы критерии согласия [6]. Обычно на практике применяют критерии согласия Пирсона (критерий %2). Для этого необходимо рассчитать его значение:

Таблица 3

Показатели надежности крестовин на диспетчерских съездах (участок О-Н, 1-й путь)

Определяемый параметр Обозначение и формулы Номер интервала наработки

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Границы интервала, млн т бр. - 0-30 3060 6090 90120 120150 150180 180210 210240 240270

Значение середины интервала, млн т бр. (г 15 45 75 105 135 165 195 225 255

Число отказов в интервале (вес) т 10 36 59 68 60 45 30 23 5

Число отказов к моменту и (накопленное число отказов) к г (О =Х П /=1 10 46 105 173 233 278 308 331 336

Число работоспособности объектов к моменту ( N(/,.)=М0 - г(/,) 326 290 231 163 103 58 28 5 0

Относительная доля отказов в интервале (частость) II <N1 п 0,030 0,107 0,176 0,202 0,179 0,134 0,089 0,068 0,015

Накопленная частость отказов (оценка вероятности наступления отказа) Р й)=ГШ N 14 о 0,030 0,137 0,313 0,515 0,693 0,827 0,917 0,985 1,000

Накопленная частость безотказной работы (оценка вероятности безотказной работы) Р(,) = N ) (,) N0 0,970 0,863 0,688 0,485 0,307 0,173 0,083 0,015 0

Оценка плотности распределения наработки до отказа (оценка плотности вероятности) 1 ('•)=7777 N м 0,001 0,004 0,006 0,007 0,006 0,004 0,003 0,002 0,001

к _

х2 X - ^ )2/ , (8)

,=1

где N0 - число испытанных изделий; Wi - частости, которые получились в результате опыта; w¡ - частости, полученные расчетным путем.

Пример расчета показателей надежности крестовин стрелочного перевода проекта 2750 приведен в табл. 3. Графическое изображение отказов крестовин на участке О-Н (1-й путь, диспетчерские съезды) и плотность вероятности их отказов приведены на рис. 4.

Сводные данные по опытным участкам параметров распределения отказов крестовин приведены в табл. 4, а ремкомплектов - в табл. 5.

Сравним фактический ресурс крестовин и ремкомплектов с нормативным (рис. 5 и 6).

Анализ параметров нормального распределения отказов крестовин с сердечником из высокомарганцовистой стали и ремкомплек-тов стрелочных переводов проекта 2750 (типа Р65, марки 1/11) показал, что средний ресурс крестовин, лежащих на диспетчерских съездах, на 41 %, а на ответвлениях приемо-отпра-вочных путей на 52 % больше по сравнению с нормативной наработкой (85 млн т бр.).

0-30 30-60 60-90 90-120 120-150 150-180 180-210 210-240 240-270

Количество отказов п, в интервале Дг, шт.

Рис. 4. Плотность вероятности распределения отказов и количество отказов п, крестовин в интервалах наработки на участке О—Н (1-й путь, диспетчерские съезды)

Таблица 4

Параметры нормального распределения отказов крестовин стрелочных переводов проекта 2750

Грузонапряженность, млн т-км бр./км в год Диспетчерские съезды Ответвления на приемо-отправочный путь

и Среднеосевая нагрузка, кН и н & ^ млн т о», млн т V» Ту Проверка согласия опытного распределения с теоретическим Тср, млн т Ог, млн т Vг Ту Проверка согласия опытного распределения с теоретическим

> Число осей, м Р(Х2) Допуск Р(Х2) Допуск

О-Н, 1-й путь 171 7,6 130 122,5 56,3 0,46 64,2 0,038 128,5 62,6 0,49 63,6 0,14

0,01 0,01

О-Н, 2-й путь 107 7 75 118,3 57,3 0,48 58,9 0,07 131,9 57 0,43 72,8 0,36

Гамма-процентный ресурс крестовин на диспетчерских съездах оказался примерно равным гарантийной наработке (60 млн т бр.), а на ответвлениях приемо-отправочных путей -на 10 % больше. Объясняется это меньшей скоростью движения поездов при ответвлении на боковой путь [8].

Анализ данных по отказам ремкомплектов (рамный рельс, остряк, стрелочные башмаки), приведенных в табл. 5, показал, что их средний ресурс на диспетчерских съездах составляет около 400 млн т бр., что на 45 % больше нормативной наработки (275 млн т бр.). В то же время ресурс ремкомплектов на ответвлениях приемо-отправочных путей составил

около 130 млн т бр., что в 2,1 раза меньше установленной нормативной наработки. Объяснить это можно большим поперечным воздействием подвижного состава на элементы стрелочного перевода (криволинейный остряк и рамный рельс) при движении на боковой путь [9, 10].

Гамма-процентный ресурс ремкомплектов на диспетчерских съездах на 50 % больше гарантийной наработки (120 млн т бр.), а на ответвлениях приемо-отправочных путей на 40 % меньше, что также объясняется особенностью взаимодействия ходовых частей подвижного состава и элементов стрелочного перевода при движении на боковой путь.

Таблица 5

Параметры нормального распределения отказов ремкомплектов стрелочных переводов проекта 2750

Грузонапряженность, млн т-км бр./км в год Диспетчерские съезды Ответвления на приемо-отправочный путь

И Среднеосевая нагрузка, кН и н & ^ Т^ млн т О/, млн т V/ Ту Проверка согласия опытного распределения с теоретическим Тср, млн т О/, млн т V/ Ту Проверка согласия опытного распределения с теоретическим

> Число осей, м Р(Х2) Допуск Р(Х2) Допуск

О-Н, 1-й путь 171 7,6 130 376,9 210 0,56 159, 4 0,11 378,2 191,7 0,51 179,6 0,14

0,01 0,01

О-Н, 2-й путь 107 7 75 430,3 219,4 0,51 203 0,21 399,1 203,2 0,51 188,6 0,36

н 140

м 120

« 100

н

о т 80

й

ы н 60

н

е & 40

у

п о 20

р

С 0

122,5 118,3

80 80

64,2 58,9

■

Средний ресурс Гамма-процентный ресурс

ПО-Н 1 путь ■ О-Н 2 путь □ норматив

Рис. 5. Средний и гамма-процентный ресурсы крестовин на диспетчерских съездах на участке О-Н

1-го и 2-го пути в сравнении с нормативным

н н о т

й ы н н

е

3

у

п о

£

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

Средний ресурс

430,3

376,9

275 275

203

159,4

Гамма-процентный ресурс

ПО-Н 1 путь "О-Н 2 путь Пнорматив

Рис. 6. Средний и гамма-процентный ресурсы ремкомплектов на диспетчерских съездах на участке О-Н

1-го и 2-го пути в сравнении с нормативным

Выводы

1. В статье представлена методика оценки долговечности стрелочных переводов и их элементов проекта 2750 на железобетонном основании, которая базируется на использовании теории надежности и данных эксплуатационных испытаний стрелочных переводов на Транссибирской магистрали в течение жизненного цикла.

2. Результаты исследований параметров долговечности стрелочных переводов проекта 2750 на участке О-Н представлены отдельно для 1-го и 2-го путей с выделением стрелочных переводов, лежащих на диспетчерских съездах, по которым поезда следуют в основном по прямому направлению с установленными скоростями и на ответвлениях приемо-отправочных путей со скоростью не более 50 км/ч.

Из анализа результатов также следует, что ресурс стрелочных переводов проекта 2750 на железобетонном основании в три раза больше нормативной наработки, установленной Техническими условиями, что свидетельствует о слабой изученности надежности таких стрелочных переводов на протяжении жизненного цикла.

На 2-м пути, где осевые нагрузки и грузонапряженность в 1,5 раза меньше, чем на 1-м, средний срок службы также оказался на 20 % меньше. Объяснить это несоответствие можно

отсутствием научно обоснованных критериев предельного (предотказного) состояния стрелочных переводов на железобетонном основании, которые должны быть основой для назначения капитального ремонта.

3. Анализ данных по отказам ремкомплек-тов показал, что их средний ресурс на диспетчерских съездах составляет около 400 млн т бр., что на 45 % больше нормативной наработки (275 млн т бр.). В то же время ресурс ремкомплектов на ответвлениях приемо-от-правочных путей составил около 130 млн т бр., что в 2,1 раза меньше установленной нормативной наработки. Объясняется это большим поперечным воздействием подвижного состава на элементы стрелочного перевода при движении на боковой путь и необходимостью корректировки нормативов по результатам исследований.

4. Гамма-процентный ресурс ремкомплек-тов на диспетчерских съездах на 50 % больше гарантийной наработки (120 млн т бр.), а на ответвлениях приемо-отправочных путей на 40 % меньше.

5. Ресурс крестовин, лежащих на диспетчерских съездах, на 41 %, а на ответвлениях приемо-отправочных путей на 52 % больше нормативной наработки (85 млн т бр.). Гамма-процентный ресурс крестовин на диспетчерских съездах оказался примерно равным гарантийной наработке (60 млн т бр.).

Библиографический список

1. Яновский А. С. Нужны стрелочные переводы новых конструкций // Путь и путевое хозяйство. 2017. № 4. С. 11-14.

2. Указание Министерства путей сообщения Российской Федерации «О ведении нормативных сроков службы стрелочных переводов» от 19.12.2002 № С-1241у. М., 2002. 6 с.

3. Технические условия на работы по реконструкции (модернизации) и ремонту железнодорожного пути : распоряжение ОАО «РжД» от 18.01.2013 № 75р. М., 2013. 221 с.

4. Изменения, которые вносятся в Технические условия на работы по реконструкции (модернизации) и ремонту железнодорожного пути от 18.01.2013 № 75р : распоряжение ОАО «РЖД» от 19.12.2018 № 2722р. М., 2019. 7 с.

5. ГОСТ 27.002-2015. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М., 2016. 23 с.

6. Карпущенко Н. И., Тарпольский Г. Н. Надежность железнодорожного пути : учеб. пособие для студентов вузов. Новосибирск : Изд-во СГУПС, 1989. 103 с.

7. Сычев В. П. Методы оценивания железнодорожного пути характеристиками случайных процессов // Наука и техника транспорта. 2007. № 3. С. 84-88.

8. Глюзберг Б. Э. О нормах износа контррельсов стрелочных переводов // Путь и путевое хозяйство. 2018. № 3. С. 10-14.

9. Егоров М. А., Ермаков В. М. Обоснование принятия инновационных технических решений на стрелочных переводах // Путь и путевое хозяйство. 2017. № 1. С. 10-14.

10. Вопросы проектирования технических средств инфраструктуры железных дорог / Б. Э. Глюзберг, Н. В. Зверькова, В. В. Королев, И. В. Шишкина // Путь и путевое хозяйство. 2018. № 2. С. 20-22.

N. I. Karpushchenko, R. A. Komardinkin

Turnouts Durability Estimation on Reinforced Concrete Bars

Abstract. The article presents the methodology and the results of evaluating the durability of railway switches of Project 2750 on reinforced concrete parallel-laying bars of 2004-2007 on a heavy-duty section with displaced movement of freight and passenger trains. The weighted average and gamma percent resource of turnouts as a whole and its elements: crossings and repair kits.

The average resource of the turnout switch is the operating time from its installation to removal during the overhaul. The gamma-percent resource shows the operating time during which the turnout reaches its limit state with a probability of у percent.

On the O-N section, the speeds of freight and passenger trains in the forward direction of the Project 2750 turnout switch were set to 90 km/h and 120 km/h, respectively, and 50 km/h along the side. Average axial loads along the first path are 181 kN, along the second - 121 kN.

Data on failures of turnout elements was taken over a 10-year period from the ASU-Way information system.

Analysis of the research results showed that the average weighted resource of railroad switches of the 2750 project exceeds 1 billion tons of gross operating time. This is 3 times more than the standard operating time established by the Technical Conditions and indicates a poor knowledge of the life cycle of the turnout project 2750.

Analysis of the parameters of the normative distribution of failures of crosspieces and repair kits made it possible to determine their resources under various operating conditions.

Key words: turnout switch; crosspiece; repair kit; reliability; gamma percentage resource; reliability; durability.

Карпущенко Николай Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры «Путь и путевое хозяйство» СГУПС. E-mail: kni@stu.ru

Комардинкин Роман Алексеевич - аспирант кафедры «Путь и путевое хозяйство» СГУПС, технолог первой категории Опытной путевой машинной станции № 19 - структурного подразделения Западно-Сибирской дирекции по ремонту пути. E-mail: roma-novosib@mail.ru