ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ И РАЦИОНАЛЬНЫЕ СФЕРЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ ПУТИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 625.172

П. С. Труханов

Оценка надежности рельсовых скреплений и рациональные сферы их применения при реконструкции пути

Поступила 29.06.2018

Рецензирование 21.08.2018 Принята к печати 03.09.2018

Промежуточные рельсовые скрепления, являясь главным связующим узлом, соединяющим рельсы и подрельсовое основание, должны обладать высокой безотказностью для обеспечения должной прочности и устойчивости железнодорожного пути. Среди современных промежуточных скреплений, используемых на сети ОАО «РЖД» и обладающих таким свойством, наиболее распространены скрепления семейства ЖБР и АРС. Исследования, приведенные в данной статье, позволили составить структурные схемы для расчета надежности этих скреплений, определить зависимость между наработанным тоннажем и безотказной работой, рассчитать затраты на содержание пути с разными видами скреплений и дать рекомендации по рациональному применению в различных условиях эксплуатации. Для расчета надежности скреплений использованы статистические данные наблюдений. Вероятность безотказной работы узлов рельсовых скреплений определена в соответствии со структурными схемами. Из анализа полученных данных следует, что наибольшей вероятностью безотказной работы обладают скрепления ЖБР-65ПШМ, а наименьшей - скрепления АРС. Невысокая надежность скрепления АРС объясняется низкой надежностью изолирующих уголков с обеих сторон подошвы рельса. Значительное влияние на объем укладки и сферу применения различных типов рельсовых скреплений оказывает стоимость скреплений в смонтированном состоянии. Наименьшую стоимость одной железобетонной шпалы, укомплектованной двумя узлами скреплений, имеет случай применения скрепления ЖБР-65Ш, а наибольшую - ЖБР-65ПШМ. На основе рассчитанной надежности узлов скреплений, долговечности их элементов и стоимости содержания даны рекомендации по применению исследуемых видов скреплений на участках пути с различными эксплуатационными условиями (в зависимости от грузонапряженности и радиусов кривых). Определено, что наибольшую область применения имеют скрепления ЖБР-65ПШМ.

Ключевые слова: промежуточные скрепления, ЖБР-65Ш, ЖБР-65ПШМ, АРС-4, надежность, отказы.

Рельсовое скрепление - важнейший элемент верхнего строения пути, в существенной степени определяющий эксплуатационную надежность рельсовой колеи. От свойств промежуточного скрепления зависит пространственная жесткость рельсошпальной решетки, условия ее взаимодействия с подвижным составом и, наконец, стоимость технического содержания пути на всех этапах жизненного цикла.

В настоящее время на сети дорог ОАО «РЖД» используется более 20 типов промежуточных скреплений, из которых большая часть уже устарела, поэтому рассмотрим только три перспективных типа скреплений, которые применяют при капитальном ремонте и реконструкции пути в последние годы.

По протяженности пути с упругими скреплениями на отечественной сети лидируют ЖБР различной модификации (подкладочные и бесподкладочные) и АРС [1].

Все указанные скрепления имеют пружинную клемму в качестве главного прикрепителя, которая различается формой, упругими свой-

ствами и способом фиксации подошвы рельса на шпале. Существует несколько модификаций скрепления ЖБР. Наиболее распространенными являются бесподкладочный вариант шурупно-дюбельного типа - ЖБР-65Ш (рис. 1) и подкладочный - ЖБР-65ПШМ (рис. 2) [2].

Рис. 1. Бесподкладочное скрепление ЖБР-65Ш

В бесподкладочном скреплении ЖБР-65Ш в качестве прикрепителя пружинной клеммы используется путевой шуруп ЦП54, вкручива-

емый в дюбель железобетонной шпалы с усилием 22-25 кгс-м. В качестве упорного элемента скрепление ЖБР-65Ш может иметь полимерный боковой упор (см. рис. 1) или упорную скобу, как в варианте ЖБР-65 (в настоящее время модификация ЖБР-65Ш с упорной скобой не выпускается).

Рис. 2. Подкладочное скрепление ЖБР-65ПШМ

Подкладочное скрепление ЖБР-65ПШМ (см. рис. 2) применяется в кривых малых радиусов. Металлическая подкладка значительно усиливает узел скрепления и стабилизирует упорную рельсовую нить, воспринимающую боковые нагрузки. Можно регулировать ширину колеи разворотом (или заменой) нашпальных прокладок, имеющих разную толщину внешних кромок.

Анкерное скрепление АРС, приведенное на рис. 3 и 4, не имеет болтов и шурупов, а следовательно не требует сезонной протяжки прикрепителей. Прижатие рельса к шпале

обеспечивает В-образная пружинная клемма, надетая на головку анкера, замоноличенного в железобетонной шпале. Узел скрепления состоит из несъемного анкера, замоноличенного в теле шпалы, подрельсовой амортизирующей прокладки, двух подклеммников, двух пружинных клемм, двух изоляторов и двух эксцентриковых монорегуляторов [3].

Все элементы скрепления имеют малый вес и легко монтируются.

Бесподкладочное шурупно-дюбельное скрепление ЖБР-65Ш является самым распространенным. Основные недостатки данного скрепления:

- малый ресурс полимерных деталей (упругих прокладок, боковых упоров);

- выход из строя путевых шурупов и пружинных клемм;

- нестабильность ширины рельсовой колеи в кривых малых радиусов.

В кривых участках пути работа скрепления ЖБР-65Ш вызывала особенно много нареканий: наблюдался излом шурупов и разрушение упругих прокладок под упорными скобами.

Проблема неудовлетворительного поведения скрепления ЖБР-65Ш в кривых малого радиуса была решена с появлением подкладочного скрепления ЖБР-65ПШМ (см. рис. 2), которое зарекомендовало себя с лучшей стороны и получило положительные отзывы с дорог. Конструктивное преимущество нового скрепления заключается в наличии подкладки, которая прикрепляется к шпале двумя шурупами. Это

Рис. 3. Анкерное скрепление АРС Рис. 4. Скрепление АРС в сборе на третьей

позиции монорегулятора

способствует более надежной фиксации узла скрепления и повышению стабильности ширины колеи. Недостатком данного скрепления является ограниченная возможность регулировки ширины колеи (не более 4 мм) за счет разворота упругих прокладок. В настоящее время ведется работа, направленная на упрощение этой операции и увеличение диапазона регулировки ширины колеи свыше 4 мм.

Основные недостатки скрепления АРС-4:

- крайне низкий срок службы изоляторов (боковых амортизаторов) в кривых радиусом 650 м и менее;

- износ площадки монорегулятора (в третьей позиции) от усов клеммы;

- отсутствие механизированного инструмента для монтажа и демонтажа скрепления, что приводит к высоким трудозатратам при содержании пути.

Скрепление АРС-4 укладывается преимущественно при реконструкции пути в европейской части страны, так как данный тип скрепления не выдерживает тяжелых условий эксплуатации Восточного полигона. В кривых малого радиуса на грузонапряженных участках происходит интенсивный износ изоляторов, приводящий к сверхнормативному уши-рению колеи и, соответственно, к работам по устранению уширения. Стабильная работа АРС-4 отмечена в прямых и кривых участках пути радиусом более 650 м.

Для оценки надежности таких изделий используют вероятностные характеристики случайной величины наработки Т объекта от начала его эксплуатации до первого отказа. Для объектов верхнего строения пути чаще всего наработка выражается в миллионах тонн брутто пропущенного груза или в единицах времени работы.

Функцией надежности называют функцию, выражающую вероятность того, что случайная наработка до отказа Т будет не менее заданной наработки на интервале (0; 0, отсчитываемой от начала эксплуатации, т. е.

) = Р(Т > Г). (1)

Вероятность безотказной работы по статистическим данным об отказах оценивается выражением

N (Гг)

Р С) = -

N

(2)

где Щ(ъ) - число безотказно проработавших изделий к моменту наработки £■; N0 - число изделий в начале испытаний.

На практике иногда более удобной характеристикой является функция ненадежности ^(ъ): р (0=1 - Р(0=Р(Т < Г). (3)

Она характеризует вероятность отказа изделия на интервале (0; ъ). Функция ненадежности является функцией распределения случайной величины Т и в теории вероятностей обозначается Вероятность отказа по статистическим данным

7 (^ )

Р С,) =

N

(4)

где г(ъ) - число отказавших объектов к моменту наработки и.

Расчеты ведутся с использованием интегральной функции нормального распределения (нормированной и центрированной):

1

Ро( х) =

х х 2

е 2 dx.

Переменная величина этой функции

х = (, )/ст„

(5)

(6)

где к - текущее значение наработки, млн т бр.; Тср и Оъ - средняя наработка изделия до отказа и среднее квадратическое отклонение, млн т бр.

Скрепление проектируют так, что обычно у него нет «лишних» деталей. Отказ любой из них снижает эффективность функционирования узла скрепления, вызывает интенсивный износ соседних деталей и повышает расходы на содержание пути. Поэтому, оценивая надежность скреплений различных типов в условиях нормальной эксплуатации, необходимо все элементы считать соединенными последовательно, а вероятность безотказной работы узла такой системы оценивать по формуле [4]

Рц с)=П Р

(7)

где Р7 - вероятность безотказной работы 7-го элемента.

Оценивая надежность скрепления в экстремальной ситуации, в которой конструкция может находиться ограниченное время, а затем переходит в аварийное состояние, отдельные цепи элементов можно считать параллельными. Безотказность работы элементов цепи

(

рц со=1 - 1 -пР (о

(8)

1=1

2

Частота отказов элементов рельсовых скреплений типов ЖБР-ПШМ, ЖБР-65Ш, АРС определяется на основании статистических данных об отказах элементов во время эксплуатации в кривых радиусом 400 м (табл. 1).

После определения параметров Тср и at методом квантилей в сочетании с методом наименьших квадратов и вероятности безотказной работы Pi(t) отдельных элементов скреплений переходят к определению вероятности безотказной работы узлов скреплений. Для этой цели составляются структурные схемы анализа надежности скреплений ЖБР-65Ш, ЖБР-ПШМ, АРС.

При составлении структурных схем для подкладочных и анкерных скреплений учитывалось то, что подкладки и анкеры объединяют работу прикрепителей (клемм, шурупов). Отказ узла скреплений в экстремальных условиях эксплуатации произойдет тогда, когда откажут обе параллельные цепи элементов прикрепителей. У бесподкладочных креплений ЖБР-65Ш отказ узла скреплений наступит при отказе любого из его элементов.

Вероятность безотказной работы узлов рельсовых скреплений определяем по формулам:

- для узлов скреплений ЖБР

- для узлов скреплений ЖБР-ПШМ

Ру =

f Г 5 1 2 Л

1 - 1 -П p

V L 1=1 J )

П p ;

¿=1

- для узлов скреплений АРС

f 5 2 Л

ру = 1 - 1 -П p P

V _ 1=1 _ )

ру=П P ;

(9)

(10)

(11)

Для расчета надежности скреплений ЖБР-65Ш, ЖБР-65ПШМ и АРС использованы статистические данные наблюдений, а также опубликованные данные [5, 6].

Вероятности безотказной работы узлов рельсовых скреплений, определенные в соответствии со структурными схемами (рис. 5) по формулам (9)-(11), приведены на рис. 6.

Из анализа полученных данных следует, что наибольшей вероятностью безотказной работы обладают скрепления ЖБР-65ПШМ, а наименьшей - скрепления АРС.

Опыт эксплуатации скреплений ЖБР-65Ш на железобетонных шпалах показал, что после пропуска по участку с этими скреплениями 400-600 млн т бр. груза происходит отказ 2030 % полимерных электроизолирующих деталей. Удельное сопротивление подрельсового основания снижается до 0,2-0,25 Ом-км, что ведет к отказу рельсовых цепей. Это подтверждается результатами расчетов, приведенными на рис. 6.

Таблица 1

Частота отказов элементов скреплений

i=i

Элемент скрепления

Тип скрепления Наработанный тоннаж, млн т бр. Шуруп с шайбой (скобой) Клемма Боковой упор (вставка) Подрельсовая прокладка Металлическая подкладка Нашпальная прокладка Анкер АРС Монорегулятор Уголковый изолятор Подклеммник

200 0,5 0,3 0,2 0,4

ЖБР-65Ш 400 2,0 0,5 0,8 3,0

600 5,0 1,0 2,6 7,0

800 7,0 1,8 4,0 10,0

200 0,2 0,2 0,1 0,2 0,5 0,0

ЖБР-65ПШМ 400 0,8 0,5 0,5 1,5 1,5 0,5

600 1,3 1,0 1,0 3,0 5,0 1,5

800 1,8 1,5 2,0 5,0 7,0 2,0

200 0,5 0,3 0,1 0,1 0,3 0,2

АРС 400 0,8 1,6 0,3 0,2 3,0 0,6

600 1,5 2,7 0,5 0,3 7,5 1,0

800 2,0 5,0 1,0 0,5 15,0 2,0

а)

Рис. 5. Структурные схемы для расчета надежности рельсовых скреплений: а - ЖБР-65Ш: 1ш - шурупы; 2ш - скобы; 3ш - клеммы; 4ш - боковые упоры; 5ш - дюбели;

1п - прокладка;

б - ЖБР-65ПШМ: 1ш - шурупы; 2ш - шайбы; 3ш - клеммы; 4ш - вставки; 5ш - дюбели; 1п - прокладка; 2п - подкладка; 3п - прокладка нашпальная; в - АРС: 1а - анкер; 2а - монорегуляторы; 3а - клеммы; 4а - подклеммники; 5а - изоляторы; 1п - прокладка

0,2

0 200 400 600 800

Пропущенный тоннаж, млн т бр.

-ЖБР-65Ш .........ЖБР-65ПШМ -----АРС

Рис. 6. Вероятности безотказной работы рельсовых скреплений

Анализ данных табл. 1 показывает, что значительную частоту отказов у всех скреплений имеют подрельсовые прокладки. У бесподкладочных скреплений ЖБР-65Ш высокую частоту отказов имеют шурупы и полимерные боковые упоры. Объясняется это худшей схемной надежностью узлов таких скреплений по сравнению с ЖБР-65ПШМ:

подкладки скрепления ЖБР-65ПШМ объединяют работу двух шурупов и цепи этих элементов являются дублирующими. Большую роль играет также качество изготовления элементов, особенно упругих клемм и прокладок.

Невысокая надежность скрепления АРС объясняется низкой надежностью изолирующих уголков с обеих сторон подошвы рельса.

Происходит это из-за высокой горизонтальной жесткости скреплений и недостатков конструкции изоляции подошвы рельса от анкеров и упругих клемм.

Для повышения долговечности рельсовых скреплений необходимо стремиться к обеспечению равноресурсной работы элементов узлов рельсовых скреплений [7-12]. Долговечность элементов скреплений сильно зависит от плана линии [13]. В кривых средних и малых радиусов на узлы скреплений передаются значительные поперечные силы от подвижного состава, вследствие чего износ и выход элементов скреплений в дефектные увеличивается. Поэтому для кривых Я < 350 м гарантийный ресурс элементов устанавливают Тг = 350 млн т бр., для кривых радиусом 350 < Я < 650 м Тг = 500 млн т бр., а для прямых и кривых Я > 650 м Тг = 700 млн т бр.

Массовая замена элементов скреплений требует больших затрат ручного труда, поэтому такие работы следует проводить при выполнении среднего или капитального ремонтов пути. Однако и гарантийный ресурс от производителей элементов, и назначенный от дирекции инфраструктуры ОАО «РЖД» не всегда этой рекомендации соответствуют.

Проблема повышения срока службы узла скрепления в целом и его элементов в частности должна быть решена за счет привлечения инновационных полимерных материалов и улучшения процессов производства.

Значительное влияние на объем укладки и сферы применения различных типов рельсовых скреплений оказывает стоимость скреплений в смонтированном состоянии. Наименьшую стоимость одной железобетонной шпалы, укомплектованной двумя узлами скреплений, имеет случай применения скрепления ЖБР-65Ш, а наибольшую - ЖБР-65ПШМ (табл. 2). Увеличение стоимости этого скрепления связано с монопольной ценовой политикой изготовителя подкладок ООО «Нижнесалдинский металлургический завод».

По стоимости затрат на содержание 1 км пути предпочтительными являются скрепления ЖБР-65ПШМ (рис. 7). Связано это с меньшими по сравнению с АРС-4 расходами на смену полимерных деталей, особенно изолирующих уголков у АРС-4.

Учитывая надежность узлов скреплений, долговечность их элементов и стоимость текущего содержания, в зависимости от грузонапряженности участков и радиусов кривых рекомендованы сферы применения промежуточных рельсовых скреплений (табл. 3). Наиболее широкий диапазон целесообразного и рационального применения имеют скрепления ЖБР-65ПШМ [14].

Выводы

Наиболее распространенными типами скреплений на бесстыковом пути в настоящее время являются: ЖБР-65Ш, АРС-4 и ЖБР-65П111М Для этих скреплений построены структурные схемы и получены формулы для расчета надежности узлов скреплений. Анализ полученных результатов показывает, что наибольшей вероятностью безотказной работы обладают скрепления ЖБР-ПШМ, а наименьшей - скрепление АРС. Невысокая надежность скрепления АРС объясняется низкой надежностью изолирующих уголков с обеих сторон подошвы рельса.

Долговечность элементов скреплений сильно зависит от плана линии. Поэтому для кривых Я < 350 м гарантийный ресурс элементов устанавливают Тг = 350 млн т бр., для кривых радиусом 350 < Я < 650 м Тг = 500 млн т бр., для прямых и кривых Я > 650 м Тг = 700 млн т бр.

Учитывая надежность узлов скреплений, долговечность их элементов и стоимость текущего содержания пути, рекомендованы сферы применения указанных скреплений в зависимости от грузонапряженности участков и радиусов кривых. Наиболее широкий диапазон целесообразного и рационального применения имеют скрепления ЖБР-65ПШМ.

Таблица 2

Базовая стоимость скреплений (без НДС), р.

Тип скрепления Стоимость одной шпалы с двумя собранными узлами Стоимость 1 км пути с эпюрой шпал 2 000 шт./км

ЖБР-65Ш 2 327 4 654 000

ЖБР-65ПШМ 3 052 6 104 000

АРС-4 2 999 5 998 000

ЖБР-65Ш - базовая стоимость;

- эксплуатационные расходы

Рис. 7. Затраты на содержание 1 км пути в зависимости от типа скреплений и условий эксплуатации. Расчетная стоимость для кривых участков пути радиусом: а - менее 350 м; б - 350 м и более

Таблица 3

Рациональные сферы применения промежуточных рельсовых скреплений на сети дорог ОАО «РЖД» в зависимости от радиуса кривых и грузонапряженности

Условия эксплуатации Тип скрепления

Грузонапряженность, млн т бр. км / км в год Радиус кривых, м ЖБР-65Ш ЖБР-65ПШ ЖБР-65ПШМ АРС-4

Более 80 Более 650

От 350 до 650

Менее 350

От 50 до 80 Более 650

От 350 до 650

Менее 350

До 50 Более 650

От 350 до 650

Менее 350

Примечание: |_| - не применять; | | - применять целесообразно; | | - рациональное применение

Библиографический список

1. Максимцев С. В., Начигин В. А., Архипенко Ю. А. Скрепления как основной элемент стабильности верхнего строения пути // Путь и путевое хозяйство. 2016. № 6. С. 8-12.

2. Воробьев О. Ю., Дугин А. Н. Рельсовые скрепления ЖБР // Путь и путевое хозяйство. 2016. № 6. С. 2021.

3. Кузнецов В. В., Кощеев А. В., Бастылев К. Ю. Рельсовые скрепления АРС // Путь и путевое хозяйство. 2016. № 5. С. 20-21.

4. ГОСТ 27.002-2015. Межгосударственный стандарт. Надежность в технике. Термины и определения. Взамен ГОСТ 27.002-89 ; введ. 01.03.2017. М. : Стандартинформ, 2016. 28 с.

5. Карпущенко Н. И., Величко Д. В. Обеспечение надежности железнодорожного пути и безопасности движения поездов : монография. Новосибирск : Изд-во СГУПСа 2008. 321 с.

6. Величко Д. В. Оценка качества изготовления элементов промежуточных рельсовых скреплений // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2004. Вып. 8. С. 75-81.

7. Карпущенко Н. И., Антонов Н. И. Совершенствование рельсовых скреплений : монография. Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2003. 300 с.

8. Кузнецов В. В., Еремушкин А. А. Испытания скреплений продолжаются // Путь и путевое хозяйство. 2006. № 5. С. 14-18.

9. ГОСТ 33320-2015. Шпалы железобетонные для железных дорог. Общие технические требования. М. : Стандартинформ, 2015. 28 с.

10. Каменский В. Б. Оптимизация жесткости пути на железобетонных шпалах // Путь и путевое хозяйство. 2007. № 3. С. 10-15.

11. Muller H. A., Opitz U., Volberg G. Structure-born sound transmission from the tubes of subway into a building for a concert hall // Proceedings Internoise 80. Miami, 1980. Vol. II. P. 715-718.

12. Kurze U. J., Wettschureck R. Ground vibrations in the vicinity of shallow railroad tunnels and open tracks // Acustica 58. 1985. P. 170-176.

13. Косенко С. А., Акимов С. С. Причины отказов элементов железнодорожного пути на полигоне ЗападноСибирской железной дороги // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2017. № 3 (42). С. 26-34.

14. Воробьев В. Б. Сравнительный анализ перспективных рельсовых скреплений // Путь и путевое хозяйство. 2016. № 6. С. 5-8.

P. S. Trukhanov

Reliability Evaluation of Rail Fastenings and Rational Spheres of Their Application at Track Renewal

Abstract. Intermediate rail fastenings, being the main binding knot connecting rails and the sub rail basis have to have high non-failure operation for ensuring due durability and stability of a railway track. Among the modern intermediate fastenings used on JSC "Russian Railways" network and having such properties have proved fastenings of the ZhBR and ARS family. The researches given in this article have allowed making block diagrams for reliability calculation of these fastenings, to define dependence between the acquired tonnage and no-failure operation, to calculate charges of a way with different types of fastenings and to make recommendations about rational application in various service conditions. For fastening reliability calculation statistical data of observations are used. The reliability probability operation of rail fastening knots is defined according to block diagrams. The analysis of the obtained data confirms that the greatest probability of no-failure operation fastenings like ZhBR-PShM, and the smallest - fastening ARS have. Low reliability of fastening ARS is explained by low reliability of the isolating corners on both sides of a rail sole. Considerable influence on the laying volume and scope of rail fastenings renders the cost of fastenings in the mounted state. The application of ZhBR-65Sh fastening, and the greatest - ZhBR-65PShM has the smallest cost of one reinforced concrete cross tie completed with two knots of fastenings. On the basis of the calculated reliability of fastening knots, the durability of their elements and cost of the contents have been given recommendations about application the studied types fastening application on sites of a way with various operational conditions (depending on freight density and radiuses of curves). It is defined that fastenings of the ZhBR-65PShM type have the greatest scope.

Key words: intermediate fastenings; ZhBR-65Sh; ZhBR-65PShM; ARS-4; reliability; refusals.

Труханов Павел Станиславович - преподаватель кафедры «Путь и путевое хозяйство» СГУПСа. E-mail: pavelst07@mail.ru