ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАТИЗАЦИИ В ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ РЕЛЬСОВ В ПУТИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.923

А. Л. Манаков, А. С. Ильиных, Е. О. Юркова, В. А. Аксенов

Применение информатизации в организации процесса шлифования

рельсов в пути

Поступила 19.03.2020

Рецензирование 26.03.2020 Принята к печати 22.09.2020

В статье рассматривается возможность информатизации процесса шлифования рельсов в пути, основанной на применении нового подхода к формированию геометрии ремонтного профиля рельса. Метод проектирования ремонтных профилей заключается в расчете геометрических параметров профиля рельса на стадии проектирования технологического процесса с учетом конкретных условий эксплуатации пути и фактического износа головки рельса. Использование этого метода позволяет обеспечить минимальный съем металла с головки рельса с учетом требований к условиям контактирования в системе «колесо - рельс». Для реализации данного подхода разработана математическая модель расчета геометрических параметров поперечного ремонтного профиля. Для дальнейшей реализации данного подхода разработана методика расчета углов наклона шлифовальных тележек к поверхности рельсов и необходимых значений силы тока, определяющей усилия прижатия каждого шлифовального круга к головке рельса, потребного количества проходов и скорости рельсошлифовального поезда. В совокупности метод расчета геометрических параметров профиля рельса и метод расчета углов наклона шлифовальных тележек к поверхности рельсов дали возможность повышения уровня информатизации процесса шлифования рельсов в пути, снижения влияния на эффективность и качество работы большого количества субъективных факторов, повышения производительности процесса шлифования рельсов в пути.

На их основе создан программный продукт для автоматизированного расчета параметров асимметричных профилей рельсов при шлифовании. Программа может использоваться на рельсошлифовальных поездах типа РШП-48 и РР-48 на стадии подготовки к работам и проектирования технологического процесса шлифования рельсов в условиях кривых участков железнодорожного пути. Программа позволяет автоматизировать расчет геометрических параметров ремонтного профиля, припуска на обработку, определять количество проходов рельсошлифовального поезда, производить расчет поперечных углов наклона шлифовальных головок для каждого прохода рельсошлифовального поезда и формировать задание на выполнение работ по шлифованию рельсов на участке пути.

Ключевые слова: организация работ, шлифование рельсов, автоматизация процесса.

В мировой практике шлифования рельсов в пути в зависимости от решаемых задач существует множество подходов к проектированию технологического процесса шлифования и соответственно к организации работ [1-3].

На некоторых дорогах мира шлифование подразделяется на различные виды, которые в свою очередь определяют назначение шлифования.

Наибольшее распространение, в том числе и в нашей стране, получило профильное шлифование, которое подразумевает наличие ремонтных профилей [4, 5]. База ремонтных профилей рельсов может содержать от одного до более сотни вариантов профилей.

Общим для всех подходов к проектированию технологического процесса шлифования является использование базы заранее спроектированных ремонтных профилей рельсов и, как следствие, программ шлифовок, включающих типовые расположения шлифовальных тележек и значений усилий прижатия. Эффективность

данного подхода увеличивается с расширением базы ремонтных профилей, но даже при использовании большого количества профилей невозможно учесть все варианты сочетаний условий эксплуатации пути. Отечественная нормативная документация предлагает пять вариантов ремонтных профилей, на основании которых технолог поезда должен определить программу шлифования, т. е. назначить режимы шлифования по предложенным в документации рекомендациям. На практике представленные в Инструкции и Технических указаниях рекомендации в полном объеме не реализуются. Связано это с тем, что на используемых на отечественных железных дорогах рельсошлифовальных поездах (РШП) зарубежного производства установлено программное обеспечение производителя, которое содержит свой перечень программ шлифования и не предполагает внесения изменений.

Недостатком данного способа является необходимость работы с большим массивом

измеренных параметров головки рельса и одновременно с очень ограниченным количеством вариантов ремонтных профилей, представленных в базе данных РШП. Выбор ближайшего ремонтного профиля и программы его формирования из входящих в комплект программного обеспечения не обеспечивает минимально возможный съем металла, так как ремонтный профиль выбирается для величины износа с шагом 3-5 мм. А в отношении участков пути в кривых такая схема принятия решений не позволяет сформировать асимметричный профиль, обеспечивающий минимальный износ рельсов при эксплуатации. При этом нужно гарантировать снятие слоя наклепанного металла, зависящего от количества пропущенной через данный участок поездной нагрузки, чтобы устранить возможность развития усталостных дефектов в головке рельса. Данное условие усложняет процедуру выбора ремонтного профиля и приводит к неоптимальному выбору, а соответственно к избыточному объему снимаемого шлифованием металла. Как следствие, происходит избыточное уменьшение высоты головки рельса, наблюдаются большие энергетические и материальные затраты и снижение эксплуатационного ресурса рельсового пути в целом.

Еще одним недостатком является то, что не применяется в полном объеме возможность использования средств информатизации и компьютеризации производственного процесса шлифования рельсов в пути.

Отсутствие автоматизации при проектировании технологического процесса и в целом организации работ по шлифованию рельсов в пути приводит к значительному влиянию на

эффективность и качество работы большого количества субъективных факторов, практического опыта и квалификации инженерно-технического и обслуживающего персонала РШП. Неэффективно используются потенциал и возможности рельсошлифовальных поездов, а это может значительно снизить экономическую эффективность от использования данной техники.

Предлагается принципиально новый подход к формированию геометрии ремонтного профиля рельса на стадии проектирования технологического процесса, в зависимости от условий эксплуатации пути. Это дает возможность проектирования ремонтного профиля, использование которого обеспечивает минимальный съем металла с головки рельса с учетом требований к условиям контактирования в системе «колесо - рельс» [6-8]. Для реализации данного подхода разработана методика расчета углов наклона шлифовальных тележек к поверхности рельсов и необходимых значений силы тока, определяющей усилия прижатия каждого шлифовального круга к головке рельса, потребного количества проходов и скорости РШП.

Подход к проектированию ремонтных профилей заключается в расчете геометрических параметров профиля на стадии проектирования технологического процесса. Для реализации данного подхода разработана математическая модель расчета геометрических параметров поперечного ремонтного профиля, которые отражены на рис. 1.

Все зависимости математической модели представлены в виде полинома различной степени.

Рис. 1. Обобщенная схема для всех видов ремонтных профилей рельса типа Р65:

1 - рабочее скругление

Конец

Рис. 2. Блок-схема проектирования ремонтного профиля рельса

Формирование геометрических параметров ремонтных профилей происходит одновременно для внутренней и наружной рельсовых нитей.

Алгоритм проектирования геометрических параметров асимметричного ремонтного профиля рельсов в кривых представлен в виде блок-схемы (рис. 2).

На рис. 2 обозначено: Я - радиус кривой, м; къ - среднее значение вертикального износа

рельса, мм; к& - среднее значение бокового износа рельса, мм; Т - значение наработки рельсов, млн т брутто; к; - расчетное значение высоты для ремонтного профиля по вертикальной оси рельса, мм; к® - значение припуска по вертикальной оси головки рельса, определяемое с учетом необходимости удаления поверхностных дефектов исходя из наработки тоннажа, мм; к® - расчетное значение высоты для ремонт-

ного профиля под углом 45° относительно вертикальной оси рельса, мм; Нб - значение припуска по прямой, расположенной под углом 45о к оси головки рельса, определяемое с учетом необходимости удаления поверхностных дефектов исходя из наработки тоннажа, мм; Х1-9, У\-9 - геометрические параметры ремонтного профиля; Я\-9 - радиусы закругления ремонтного профиля; к\—къ и С - коэффициенты полиномиального ряда.

Проектирование осуществляется в описанном ниже порядке.

Ввод исходных данных. Для расчета геометрических параметров ремонтного профиля в качестве исходных данных применяются следующие характеристики пути:

- значение радиуса кривой Я, м;

- значение наработки рельсов Т, млн т брутто;

- геометрические параметры головки рельсов для обеих рельсовых нитей, мм;

- расположение рельса на внутренней или наружной рельсовой нити кривой.

Проверка условия: Я > \ 000 м. Геометрические параметры ремонтного профиля рассчитываются для радиусов кривой менее 1 000 м. В противном случае расчет производиться не будет.

Проверка условия: внутренняя рельсовая нить или наружная.

Для внутренней рельсовой нити кривой определяется величина припуска по вертикальной оси головки рельса й^, для наружной рельсовой нити кривой определяется величина припуска на рабочем скруглении йЦ, мм.

Для внутренней рельсовой нити находится разница между номинальной высотой головки нового рельса и ремонтным профилем й^, мм (см. рис. 2).

ив = Ив + К, (\)

где Ив - значение вертикального износа рельса, мм; ИВ - значение припуска по вертикальной оси головки рельса, мм.

Для наружной рельсовой нити находится расстояние по прямой, расположенной под углом 45° к оси головки рельса, и заключенное между точками пересечения данной прямой с номинальным профилем нового рельса и с ремонтным профилем Йб, мм (см. рис. 2).

Иб = Иб + Иб, (2)

где Иб - значение бокового износа рельса под углом 45° к оси головки рельса, мм; Иб - значение припуска по прямой, расположенной под углом 45° к оси головки рельса, мм.

Для внутренней рельсовой нити выбираются коэффициенты полиномного ряда. Для наружной рельсовой нити предварительно производится проверка условий и для соответствующего радиуса кривой выбираются коэффициенты. С использованием математической модели для различных характеристик пути находятся координаты восьми точек, мм, которые соответствуют характерным точкам ремонтного профиля, и значения радиусов от Я\ до мм (см. рис. 2).

Полученный в 2019 г. патент [9] содержит подробное описание данного метода проектирования ремонтных профилей головки рельса. Результаты исследований были использованы при разработке методики проектирования асимметричных профилей рельсов, согласованной управлением пути и сооружений Центральной дирекции инфраструктуры - филиала ОАО «РЖД», Департаментом технической политики ОАО «РЖД» и утвержденной Центральной дирекцией по ремонту пути -филиалом ОАО «РЖД» 29.12.2017.

Создание программного продукта для автоматизированного расчета параметров асимметричных профилей рельсов при шлифовании явилось практической реализацией предложенного подхода проектирования ремонтных профилей [10].

Программа предназначена для применения на рельсошлифовальных поездах типа РШП-48 и ИЯ-48 на стадии подготовки к работам и проектирования технологического процесса шлифования рельсов в условиях кривых участков железнодорожного пути, в период планово-подготовительных работ на перегоне перед началом работ по шлифованию рельсов на участке пути.

Конечным пользователем программы является персонал рельсошлифовального поезда, и в частности работники, которые по роду своих должностных обязанностей допущены к работам по выбору, назначению и установлению режимов шлифования рельсов.

Необходимые для функционирования программы программные средства должны быть представлены локализованной версией операционной системы Android не ниже версии 7.0. Исходные коды программы реализованы на языке Kotlin.

Функциональное назначение программы определяется следующими задачами:

- расчет геометрических параметров ремонтного поперечного профиля рельсов с учетом фактического состояния рельсов, эксплуатационных и конструктивных параметров железнодорожного пути;

- расчет и определение всех необходимых параметров технологического процесса шлифования рельсов для реализации проектного ремонтного профиля с применением рельсо-шлифовальных поездов.

Программа обеспечивает возможность выполнения следующих функций:

- расчет геометрических параметров ремонтного поперечного профиля рельсов;

- расчет необходимого съема металла с головки рельса для формирования проектного асимметричного ремонтного профиля с учетом фактического состояния рельсов отдельно для внутренней и наружной рельсовых нитей железнодорожного пути;

- определение необходимого количества проходов рельсошлифовального поезда для формирования проектного асимметричного ремонтного профиля рельсов;

- расчет необходимых поперечных углов наклона шлифовальных головок для каждого прохода рельсошлифовального поезда;

- формирование задания на выполнение работ по шлифованию рельсов на участке пути.

Структура программы состоит из трех основных блоков.

1. Блок расчета геометрических параметров поперечного профиля рельсов, включающий расчет геометрических параметров ремонтного поперечного профиля рельсов и расчет необходимого съема металла с головки рельса для формирования проектного асимметричного ремонтного профиля.

2. Переходной блок, направленный на перевод полученных геометрических параметров профиля к требуемому виду.

3. Блок разработки технологии шлифования, включающий расчет необходимых попе-

речных углов наклона шлифовальных головок для каждого прохода РШП и определение необходимого количества его проходов для формирования проектного асимметричного ремонтного профиля рельсов [7, 8].

Функционал алгоритма определен методикой проектирования асимметричных профилей рельсов.

После реализации первого блока программы геометрические параметры ремонтного профиля рельса представляются в формате восьми точек (А1, ..., А$) с соответствующими координатами и девяти радиусов (Я1, ..., Я§) (см. рис. 1).

Для вычисления углов наклона шлифовальных головок рабочего оборудования РШП относительно вертикальной оси необходимо геометрию ремонтного профиля рельса перевести из описанного выше вида в вид массива точек (В1, ..., В„) с соответствующими координатами (рис. 3). Это реализуется во втором блоке, в котором для каждой точки В, массива определяется касательная т-т в этой точке к окружности радиусом Я,, на которой она располагается. Далее определяется перпендикуляр р-р к касательной т-т в точке В, и рассчитывается угол ф наклона прямой р-р к вертикальной оси рельса, который и является углом наклона шлифовальной головки.

Алгоритм реализации третьего блока программы представлен в виде блок-схемы (рис. 4). Реализация алгоритма основана на модели, наглядно отображенной на рис. 3 и 5. Начальной точкой для формирования профиля принимается точка фактического профиля рельса, координаты которой совпадают с координатами какой-либо точки ремонтного профиля. Значения этих координат определяются в блоках 1-3 (см. рис. 4). В соответствии с полученными координатами контакт первого шлифовального круга с поверхностью рельса произойдет в точке К,у (см. рис. 5). Для этой точки в блоке 4 определяется требуемое значение угла наклона шлифовальной головки (см. рис. 5). С учетом значения глубины резания для данной точки в блоках 5-7 определяются координаты точек Му и Ьу и значения ширины дорожки шлифования, которые формируют базу данных в блоке 9.

Для последующего абразивного круга точкой контакта с рельсом будет являться точка

Рис. 3. Формат представления геометрических параметров ремонтного профиля после преобразования: 1 - ремонтный профиль рельса; 2 - фактический профиль рельса

Рис. 4. Моделирующий алгоритм формообразования профиля рельса

Му, координаты которой описываются в блоках 10 и 11 (см. рис. 4).

Сравнение координат ремонтного профиля с фактическим осуществляется в блоках 8 и 14, создающих циклы (/ - по периметру профиля, у - по глубине), которые в конечном итоге определяют необходимое количество проходов РШП.

Для реализации указанных функций программы необходимы следующие входные данные, содержащиеся в плане-задании на вы-

полнение работ РШП и адресном плане шлифовки рельсов:

- радиус кривой участка пути, м;

- наработка тоннажа на участке пути, млн т брутто.

Посредством измерений геометрических параметров поперечного профиля головки рельсов определяются значения бокового и вертикального износа головки рельсов для внутренней и наружной рельсовых нитей железнодорожного пути, мм. Программой позво-

Рис. 5. Схема формообразования поперечного профиля рельса: 1 - ремонтный профиль рельса; 2 - фактический профиль рельса

ляется введение этих данных как в ручном режиме, так и их получение из ЕК АСУИ для участка пути, подлежащего шлифованию в автоматическом режиме.

Кроме того, работники РШП предоставляют данные о его техническом состоянии (наличие неисправных шлифовальных головок, фактические углы их развала и т. д.). Эти входные данные вводятся в программу в ручном режиме работником РШП.

После реализации функций программы в качестве выходных данных представляется следующая информация:

1) геометрические параметры асимметричных ремонтных профилей рельсов внутренней и наружной рельсовых нитей участка железнодорожного пути;

2) информация о необходимом съеме металла с головки рельса для формирования ремонтного профиля рельса;

3) программа шлифования участка железнодорожного пути, включающая:

- количество проходов РШП для достижения требуемой геометрии асимметричного ремонтного профиля;

- программы расстановки поперечных углов наклона шлифовальных головок по проходам;

- возможная протяженность обрабатываемого участка пути, км, исходя из скоростных режимов работы рельсошлифовального поезда и продолжительности «окна».

Необходимые для выполнения рельсо-шлифовальных работ выходные данные вносятся в систему управления работой РШП в ручном режиме его работником.

По окончании работ по шлифованию рельсов в ЕК АСУИ могут быть переданы следующие выходные данные для участка пути:

- дата проведения работ по шлифованию рельсов на участке пути;

- количество проходов поезда;

- величина фактического вертикального и бокового износа отшлифованных рельсов на участке пути для внутренней и наружной нитей.

Предложенный новый подход в планировании технологических воздействий по шлифованию рельсов, учитывающий интенсивность возникновения и распространения дефектов в рельсах, общую потребность в шлифовании и производственные мощности, и математическая модель определения параметров технологического процесса шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути и их оптимизации с учетом организационно-технологических ограничений позволяют скорректировать организационную структуру производственного процесса шлифования рельсов и тем самым повысить его эффективность за счет обеспечения периодичности и качества выполнения работ, а также оценки их целесообразности на различных участках железнодорожного пути. Применение средств информатизации и компьютеризации производственного процесса шлифования рельсов в пути позволит более эффективно организовать работу рельсошлифовальных поездов, снизить влияние субъективных факторов и повысить экономическую эффективность данного процесса.

Библиографический список

1. Analytical modeling of grinding process in rail profile correction considering grinding pattern / Y. M. Liu, T. Y. Yang, Z. He, J. Y. Li // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2018. Vol. 18, № 2. Р. 669-678.

2. Optimal design of rail grinding patterns based on a rail grinding target profile / Q. Lin, J. Guo, H. Y. Wang, W. Wang, Q. Liu // Proc. Inst. Mech. Eng. F-J. Rail Rapid Transit. 2018. № 232. Р. 560-571.

3. Cuervo P. A., Santa J. F., Toro A. Correlations between wear mechanisms and rail grinding operations in a commercial railroad // Tribology International. 2015. Vol. 82. Р. 265-273.

4. Технические указания по шлифованию рельсов ОАО «РЖД». М., 2004. 39 с.

5. Инструкция по шлифовке и фрезерованию рельсов в пути и стационарных условиях : утв. распоряжением ОАО «РЖД» № 3185р от 29.12.2014.

6. Оценка организационно-технологической надежности производственного процесса шлифования рельсов на основе имитационного моделирования / А. С. Ильиных, В. А. Аксенов, Е .О. Юркова, А. В. Матафонов // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2019. № 4 (51). С. 40-44.

7. Ильиных А. С., Юркова Е. О. Повышение эффективности организации работ по шлифованию рельсов // Наука, образование, кадры : материалы нац. конф. в рамках IX Междунар. Сиб. трансп. форума (Новосибирск, 22-25 мая 2019 г.). Новосибирск, 2019. С. 238-245.

8. Ilinykh A., Matafonov A., Yurkova E. Efficiency of the Production Process of Grinding Rails on The Basis of Optimizing the Periodicity of Works // Advances in Intelligent Systems and Computing : VIII International Scientific Siberian Transport Forum TransSiberia. 2019. Vol. 2. P. 672-681.

9. Патент № 2 708 520 C1 Российская Федерация. Способ и устройство определения параметров ремонтного профиля головки рельса / Ильиных А. С., Юркова Е. О., Банул В. В. ; заявитель, патентоблада-тель ОАО «Российские железные дороги». № 2019105645 ; заявл. 27.02.2019 ; опубл. 09.12.2019. 12 с.

10. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ rus. Программное обеспечение для автоматизированного расчета параметров асимметричных профилей рельсов при шлифовании / Ильиных А. С., Юркова Е. О., Нетахин В. В. № 2019618897 ; заявл. 06.03.2019 ; опубл. 05.07.2019.

A. L. Manakov, A. S. Ilinykh, E. O. Yurkova, V. A. Aksenov

The Use of Rail Grinding Process Informational Support in Transit

Abstract. The possibility of rail grinding process informational support in transit based on the new approach application and the rail repair profile geometry forming method is considered. The method for designing repair profiles consists of the rail profile geometric parameters calculating at the technological process design stage, taking into account the specific operating conditions of the track and the actual wear of the rail head. Using this method allows minimal removal of metal from the rail head, taking into account the requirements for contact conditions in the wheel-rail system. The mathematical model has been developed for calculating the geometric parameters of a transverse repair profile. In total, the method for calculating the geometric parameters of the rail profile and the method for calculating the inclination angle of grinding trolleys along the rails surface made it possible to increase the level of informational support in a transit, reduce the efficiency and quality impact on a large number of subjective factors, increase the productivity in a transit.

Based on them, a software product was created for the automated calculation of asymmetric rail profiles parameters during grinding. The program can be used on rail grinding trains of the RShP-48 and RR-48 type at the stage of preparation for work and the design of the technological process for rail grinding in the conditions of railway track curved sections. The program allows you to automate the calculation of the repair profile geometric parameters, the required machining allowance, determine the required number of the rail grinding train passes, calculate the required transverse angles of the grinding heads inclination for each pass of the rail grinding train, and form a task for performing work on grinding rails on the track section.

Key words: organization of work; rail grinding; process automation.

Манаков Алексей Леонидович - доктор технических наук, профессор кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин» СГУПС. E-mail: manakov005@mail.ru

Ильиных Андрей Степанович - доктор технических наук, профессор кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин» СГУПС. E-mail: asi@stu.ru

Юркова Елена Олеговна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин» СГУПС. E-mail: urk@stu.ru

Аксенов Владимир Алексеевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Техносферная безопасность» РУТ. E-mail: vl.aksenov@yandex.ru