CC BY
21DOI 10.52170/1815-9265_2021_59_55 УДК 658.5
Э. С. Бондарев
Прогнозирование технического состояния рельсов по статистическим данным
Поступила 04.10.2021
Рецензирование 12.10.2021 Принята к печати 12.10.2021
Возникновение и скорость развития дефектов рельсов зависят от многих факторов: типа, плана, профиля и уклона железнодорожного пути, а также от условий эксплуатации (скорости, ускорения, торможения), климатических условий региона, амплитудно-частотной характеристики начального микропрофиля поверхности катания рельсов, характеристики подрельсового основания (материала шпал, рода балласта и пр.), наличия и вида термообработки рельсов. Кроме того, существенное влияние на развитие дефектов оказывают характеристики подвижного состава (мощность, сила тяги, колесная база тележек, система рессорного подвешивания и демпфирования).
В результате анализа научных работ, посвященных изучению технического состояния рельсов как в РФ, так и за рубежом, не удалось выявить единой базы данных, в которой бы содержалась общая информация о прогнозировании развития основных дефектов головки рельсов, устраняемых методом шлифования. Путем статистической обработки данных из разных источников была впервые сформирована единая обобщенная база данных для рельсов типа Р65, которая предоставляет возможность прогнозировать техническое состояние рельсов, определять скорость развития дефектов и правильно планировать работы по текущему содержанию пути в автоматизированном режиме. Построение прогнозов позволяет экономить значительную часть бюджета компании за счет увеличения срока эксплуатации железнодорожного пути, поскольку своевременная шлифовка позволяет предупредить появление дефектов поверхности катания, не допустить развития в рельсах дефектов контактно-усталостного характера и пр. Кроме того, по результатам удаления поверхностных дефектов наблюдается снижение вертикальных динамических сил, шумов и вибраций. Как следствие, у компании появляется возможность уменьшить расходы по содержанию и ремонту подвижного состава, а также увеличить срок его службы благодаря уменьшению усталости деталей и узлов.
В рассматриваемой статье для каждого вида дефекта построены графики зависимостей износа головки рельса от пропущенного тоннажа, а также составлена сводная таблица математических зависимостей.
Ключевые слова: развитие дефектов, шлифование рельсов, планирование работ, трещины и выкрашивания, вертикальный износ, боковой износ, волнообразный износ.
В мировой практике шлифования рельсов в пути существует множество подходов к проектированию технологического процесса шлифования и к организации работ, применяемых в зависимости от решаемых задач [1-3].
Плановое проведение работ по техническому обслуживанию железнодорожного пути позволяет снизить интенсивность износа рельсов и продлить срок их службы, уменьшив таким образом эксплуатационные расходы. Помимо этого, достигается высокий уровень надежности и эксплуатационной готовности обслуживаемых элементов пути. Применительно к рельсошлифованию правильно организованное, технически и экономически обоснованное технологическое воздействие характеризуется своевременным и точно спланированным проведением работ с оптимальным использованием имеющихся ресурсов [4].
Условия эксплуатации рельсов в России, характеризуемые повышенной грузонапряженностью, наличием большого количества кривых
участков пути, совместным присутствием пассажирского, скоростного и грузового движения поездов и другими факторами, приводят к возникновению дефектов различных групп. В связи с этим «однобокий» подход, используемый при назначении технологических воздействий в Европе, в России недопустим. В идеале шлифование рельсов, наряду с устранением поверхностных дефектов и формированием поперечного профиля рельсов, должно устранять дефекты контактно-усталостного происхождения, предотвращать возникновение и сдерживать развитие трещин в поверхностных слоях головки рельсов, а также снижать интенсивность бокового и вертикального износа рельсов. К сожалению, реализация такого идеализированного подхода на основе существующей нормативно-технической документации невозможна [4].
В связи с вышеизложенным возникают следующие вопросы: с какой периодичностью необходимо проводить шлифование рельсов? каким образом спрогнозировать финансовую
выгоду от проведенных технических воздействий? Для ответа на них необходимо иметь единую обобщенную базу данных, которая позволит прогнозировать процесс технического состояния рельсов. Кроме того, без подобных данных невозможно функционирование экономико-математической модели.
По мере эксплуатации железнодорожного пути, которая определяется наработкой тоннажа, измеряемого в млн т бр., в рельсах неизбежно возникают процессы коррозии, смятия, износа, усталости и пр. Под действием этих факторов образуются различные дефекты. Под дефектом рельса принято понимать отклонение от установленных норм его геометрических параметров или прочности, несоблюдение которых приводит к потере работоспособности в установленных условиях эксплуатации. К наиболее часто встречающимся
дефектам рельсов, которые возможно устранить шлифовкой, относят трещины и выкрашивания, а также вертикальный, боковой и волнообразный износы (рис. 1) [5]. Поврежденные рельсы принято разделять на дефектные и остродефектные в зависимости от степени опасности [6].
На основе данных из разных источников были построены среднестатистические зависимости развития дефектов от пропущенного тоннажа [7-12].
Трещины и выкрашивания металла на поверхности головки возникают, как правило, после пропуска гарантийного тоннажа вследствие скопления местных неметаллических включений или из-за недостаточной контактно-усталостной прочности рельсового металла. На рис. 2 показана среднестатистическая кривая зависимости развития трещин и выкрашиваний
Тип дефекта рельса
Рис. 1. Количество дефектных рельсов, изъятых из пути на Горьковской железной дороге за 2019 г.
Рис. 2. Среднестатистическая зависимость развития трещин и выкрашиваний металла от пропущенного тоннажа (без уклона железнодорожного пути)
металла от пропущенного тоннажа на железнодорожном участке пути без уклона.
На рис. 2 видно, что кривая резко идет вверх после пропуска примерно 100 млн т бр. Данный график подтверждает непрерывный рост отдельных трещин контактной усталости в процессе эксплуатации до достижения предельных значений, которые зависят от исходной твердости рельсов, увеличиваясь при ее понижении. Стоит принять во внимание тот факт, что наибольшую опасность представляет возможное слияние нескольких наклонных трещин, которые впоследствии могут образовать единую продольную трещину, соизмеримую с шириной головки рельса. Новообразованная трещина способна изменить направление развития и привести к возникновению поперечной усталостной трещины [13, 14].
Вертикальный износ возникает в случае несоответствия прочности металла головки рельса условиям давления, оказываемого на нее колесами подвижного состава. При значительном износе в металле возникают растягивающие напряжения, которые впоследствии могут стать катализатором образования продольных вертикальных трещин. На рис. 3 показана среднестатистическая кривая зависимости развития вертикального износа головки рельса от пропущенного тоннажа.
На рис. 3 видно, что на прямых участках железнодорожного пути вертикальный износ развивается значительно медленнее. Кроме
того, чем меньше радиус кривой, тем интенсивнее происходит развитие данного дефекта.
Причины появления бокового износа заключаются в возникновении усиленного проскальзывания вследствие увеличения углов набегания гребней колес на боковую грань рельсов (по причине нарушения нормального вписывания тележек подвижного состава в кривые участки железнодорожного пути), а также из-за низкой износостойкости рельсового металла. Кроме того, боковой износ может образовываться по причине недостаточной лубрикации боковой грани головки рельсов. На рис. 4 показана среднестатистическая кривая зависимости развития бокового износа головки рельса от пропущенного тоннажа.
На рис. 4 видно, что на прямых участках железнодорожного пути образовываются наплывы, нарастающие с увеличением пропущенного тоннажа. Кроме того, чем меньше радиус кривой, тем интенсивнее происходит развитие данного дефекта.
На некоторых участках железной дороги нередко возникает волнообразный износ, который образуется, как правило, в кривых. Причиной появления данного дефекта является проскальзывание колес локомотива (например, в кривых из-за разных длин наружной и внутренней нитей). Кроме того, причиной дефекта может являться заводской брак, возникающий из-за биения на рельсоправильных станках. На рис. 5 по-
2 Ы 1,4
-г «12 Л
Ч !
В 1
&
а 0,8
и '
о 0,6
£ 0,4
§ 0,2 нй
к 0
.......
,1 __. . •
- - - - - *
** , - * *
У /
/
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Пропущенный тоннаж, млн т бр.
Прямой участок •К 400-800 М
........Ы < 400 м
---К > 800 м
Рис. 3. Среднестатистическая зависимость развития вертикального износа головки рельса от пропущенного тоннажа (без уклона железнодорожного пути)
казана среднестатистическая кривая зависимости развития волнообразного износа головки рельса от пропущенного тоннажа на участке железнодорожного пути без уклона.
На рис. 5 видно, что кривая плавно увеличивается в течение всего периода эксплуатации и достигает предельных значений при пропущенном тоннаже более 550 млн т бр. В этом случае рельсы подлежат замене в первоочередном порядке. Основными признаками наличия волнообразного износа являются шум и усиленные колебания рельсов при движении состава, которые приводят к повышенному механическому износу шпал.
Сводные данные математических зависимостей для каждого дефекта представлены в табл. 1.
Коэффициент достоверности аппроксимации показывает степень соответствия трендовой модели исходным данным, в которой развитие износа отражается через тренд основных показателей (средние величины).
Значения износа головки рельса в зависимости от типа пути и пропущенного тоннажа представлены в табл. 2 для каждого типа дефекта.
Для наглядности сравнения значений вертикального и бокового износов головки рельса при движении в кривых различного радиуса на подъеме и спуске были сведены в табл. 3. Из нее следует, что с увеличением пропуска тоннажа боковой износ развивается интенсивнее вертикального.
о д
ч
щ
о.
м М И
о ч
£ и О
и
п
К
4,5 4 3,5 3
2,5 2 1,5 1
0,5 0
-0,5
■- *
„ _ —
3 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 12
Пропущенный тоннаж, млн т бр.
• Прямой участок Я = 400-800 м
..........Я < 400 м
---II > 800 м
Рис. 4. Среднестатистическая зависимость развития бокового износа головки рельса от пропущенного тоннажа (без уклона железнодорожного пути)
Рис. 5. Среднестатистическая зависимость развития волнообразного износа головки рельса от пропущенного тоннажа (без уклона железнодорожного пути)
Таблица 1
Сводная таблица математических зависимостей
Тип дефекта Участок пути Математическая зависимость Коэффициент достоверности аппроксимации R2
Трещины и выкрашивания Кривая (усредненная) й = 0,018372 - 0,0447 + 0,5599 0,998
Прямой участок без уклона ж.-д. пути й = 1 ■ 10-472 + 0,01697 + 0,0968 0,960
Кривая R < 400 м без уклона ж.-д. пути й = 0,000272 + 0,02717 + 0,0838 0,988
Вертикальный Кривая R = 400-600 м без уклона ж.-д. пути й = -0,000172 + 0,0227 + 0,0866 0,986
износ Кривая R > 800 м без уклона ж.-д. пути й = -7 ■ 10-572 + 0,01737 + 0,1131 0,972
Подъем в кривой (усредненной) й = 0,01 671,344Д-0'37910,409 0,922
Спуск в кривой (усредненной) й = 0Д457°'957Д-0,28210'265 0,938
Прямой участок без уклона ж.-д. пути й = -2 ■ 10-572 - 8 ■ 10-57 + 0,0083 0,983
Кривая R < 400 м без уклона ж.-д. пути й = -0,000472 + 0,07337 + 0,2725 0,985
Боковой износ Кривая R = 400-600 м без уклона ж.-д. пути й = -0,000272 + 0,03747 + 0,1495 0,971
Кривая R > 800 м без уклона ж.-д. пути й = -5 ■ 10-572 + 0,01377 + 0,1262 0,952
Подъем в кривой (усредненной) й = 122,9471,175Д-1'44910,01 0,935
Спуск в кривой (усредненной) й = 0,70 8 70,881Д-0'45710'288 0,769
Волнообразный износ Кривая (усредненная) й = 7 ■ 10-672 + 4 • 10-47 + 0,5224 0,999
Таблица 2
Значения износа головки при движении по железнодорожному пути без уклона
Тип дефекта Износ головки рельса h, мм
На прямом участке В кривых различного радиуса
R < 400 м R = 400-600 м R > 800 м
Т = 50 млн т бр.
Трещины и выкрашивания - 0,01
Вертикальный износ 0,71 1,07 0,91 0,81
Боковой износ -0,04 3,03 1,43 0,71
Волнообразный износ - 0,56
Т = 100 млн т бр.
Трещины и выкрашивания - 0,02
Вертикальный износ 0,81 1,32 1,21 1,11
Боковой износ -0,18 4,02 1,52 1,01
Волнообразный износ - 0,63
Т = 150 млн т бр.
Трещины и выкрашивания - 0,08
Вертикальный износ 0,95 1,54 1,26 1,15
Боковой износ -0,21 6,74 3,55 0,75
Волнообразный износ - 0,74
Т = 200 млн т бр.
Трещины и выкрашивания - 0,19
Вертикальный износ 0,99 2,07 1,69 1,17
Боковой износ -0,25 8,04 4,20 1,01
Волнообразный износ - 0,88
Таблица 3
Значения вертикального и бокового износов головки рельса при движении в кривых различного радиуса на подъеме и спуске
Тип дефекта Износ головки рельса h, мм
Движение Уклон пути, % R < 400 м R = 400-600 м R > 800 м
Т = 50 млн т бр.
Вертикальный износ на подъем 3 0,50 0,43 0,38
18 1,03 0,89 0,80
на спуск 3 1,51 1,35 1,24
18 2,43 2,17 2,00
Боковой износ на подъем 3 2,09 1,16 0,77
18 2,13 1,18 0,78
на спуск 3 1,97 1,64 1,44
18 3,31 2,75 2,41
Т = 100 млн т бр.
Вертикальный износ на подъем 3 1,26 1,08 0,97
18 2,63 2,25 2,02
на спуск 3 2,94 2,62 2,42
18 4,72 4,21 3,88
Боковой износ на подъем 3 4,72 2,62 1,73
18 4,81 2,67 1,76
на спуск 3 3,63 3,02 2,65
18 6,09 5,06 4,43
Т = 150 млн т бр.
Вертикальный износ на подъем 3 2,18 1,87 1,67
18 4,53 3,88 3,48
на спуск 3 4,07 3,86 3,56
18 - - 5,73
Боковой износ на подъем 3 7,60 4,23 2,78
18 7,74 4,30 2,84
на спуск 3 5,19 4,31 3,78
18 8,70 7,23 6,34
Т = 200 млн т бр.
Вертикальный износ на подъем 3 3,20 2,75 2,46
18 - 5,72 5,13
на спуск 3 5,70 5,09 4,69
18 - - -
Боковой износ на подъем 3 10,66 5,92 3,90
18 10,85 6,03 3,98
на спуск 3 6,69 5,56 4,87
18 11,21 9,31 8,17
Данные табл. 3 позволяют сделать вывод о том, что вертикальному износу свойственны меньшие значения износа головки рельса на подъеме, а большие - на спуске. Боковой износ имеет противоположный характер развития: на подъеме он развивается быстрее, а на спуске - медленнее.
Сформированная база данных будет применена при написании НКР «Совершенствование организационной структуры производственного процесса шлифования рельсов» для создания автоматизированной системы, ориентированной на экономию бюджета компании и организацию своевременного процесса шлифования рельсов в пути.
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 [et. al.] // 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. Ильиных А. С., Бондарев Э. С. Отечественный и зарубежный опыт организации и планирования работ по шлифованию рельсов // Фундаментальные и прикладные вопросы транспорта. 2021. № 1 (2). С. 11-24.
5. ШляхтенокА. В., Довгяло Д. А. Ультразвуковая дефектоскопия // Вестник ПГУ. 2016. № 12. С. 64-70.
6. Инструкция «Дефекты рельсов. Классификация, каталог и параметры дефектных и остродефектных рельсов» : утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 23.10.2014 № 2499р. URL: https://www.tdesant.ru/info/item/144 (дата обращения: 30.09.2021).
7. Щелоков С. В. Повышение эксплуатационных свойств рельсов в пути на основе разработки комбинированного технологического процесса шлифования с использованием высокоэнергетического воздействия : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.08. Новосибирск, 2005. 138 с.
8. Коротаев Б. В. Износ термоупрочненных рельсов Р65 в сложных условиях эксплуатации ВосточноСибирской железной дороги : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.06. Иркутск, 1999. 185 с.
9. Турутин Б. Б. Совершенствование технологической системы обеспечения требуемого уровня эксплуатационных свойств рельсов в пути: дис. ... канд. техн. наук : 05.02.08. Новосибирск, 2003. 135 с.
10. Эволюция повреждаемости рельсов с дефектами контактной усталости / Е. А. Шур, А. И. Борц, А. В. Сухов [и др.] // Вестник ВНИИЖТ. 2015. № 3. С. 3-9.
11. Коссов В. С., Краснов О. Г., Акашев М. Г. Влияние смятия в зоне сварных стыков на силовое воздействие подвижного состава на путь // Вестник ВНИИЖТ. 2020. Т. 79, № 1. С. 9-16.
12. Инструкция «Классификация рельсов, подлежащих шлифовке, для путей различной ширины колеи» ОСЖД от 25.10.2018 № Р 738. URL: https://osjd.org/api/media/resources/15060?action=download (дата обращения: 30.09.2021).
13. Girsch G., Heyder R. Head-hardened rail put to the test // Railway Gazette International. 2004. № 1. Р. 42-44.
14. Heyder, R., Girsch, G. Testing of HSH® rails in high-speed tracks to minimize rail damage // Wear. 2005. № 7-8. Р. 1014-1021.
E. S. Bondarev
Forecasting the Technical Condition of Rails Based on Statistical Data
Abstract. The occurrence and rate of rail defect development depend on many factors: the type, plan, profile and slope of the railway track, as well as on the operating conditions (speed, acceleration, braking), climatic conditions of the region, the amplitude-frequency characteristics of the initial micro profile of the rolling surface of the rails, the characteristics of the sub-rail base (material sleepers, type of ballast, etc.), the presence and type of heat treatment of rails. In addition, the characteristics of the rolling stock (power, traction force, wheelbase of bogies, spring suspension and damping system) have a significant impact on the development of defects. As a result of the scientific works analysis aimed at studying the technical condition of rails both in the Russian Federation and abroad, it was not possible to identify a single database that would contain general information on predicting the development of the main defects of the rail head eliminated by grinding.
By statistical processing of data from various sources, a unified generalized database for rails of the P65 type was formed for the first time, which provides an opportunity to predict the technical condition of rails, determine the rate of defect development and correctly plan work on the current maintenance of the track in an automated mode. Making forecasts allows you to save a significant part of the company's budget by increasing the service life of the railway track, since timely grinding allows you to prevent the appearance of defects in the rolling surface, prevent the development of defects in the rails of a contact-fatigue nature, etc. In addition, according to the results of the removal of surface defects, a decrease in vertical dynamic forces, noise and vibrations is observed. As a result, the company has the opportunity to reduce the maintenance and repair costs of rolling stock, as well as to increase its service life by reducing the fatigue of parts and assemblies.
In the article under consideration, for each type of defect, depending graphs of the rail head wear on the missed tonnage are constructed, as well as a summary table of mathematical dependencies is compiled.
Key words: development of defects; grinding of rails; work planning; cracks and painting; vertical wear; lateral wear; undulating wear.
Бондарев Эдуард Сергеевич - инженер-конструктор ООО «НЗХК-Инструмент», аспирант кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин» СГУПС. E-mail: bondareff.edik@yandex.ru
