CC BY
213
ВЫПРАВКА ПУТИ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ И РЕМОНТЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПУТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ И ГНСС
Владимир Васильевич Щербаков
Сибирский государственный университет путей сообщения, 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук 187, кандидат технических наук, профессор кафедры «Инженерная геодезия», заведующий лабораторией «Диагностика дорожных одежд и земляного полотна» Научно-инженерного дорожного центра СГУПС, тел. (383)328-05-91, e-mail: [email protected]
Рассмотрены существующие технологий постановки пути в проектное положение, выполнен сравнительный анализ и предложены современные методы и системы автоматизированного управления постановки пути в проектное положение с использованием ГИС-технологий и ГНСС (ГЛОНАСС/GPS).
Ключевые слова: выправка пути, постановка пути в проектное положение, координатные методы, ГЛОНАСС, GPS, сглаживание, реконструкция, рельсовая колея, системы автоматизированного управления.
THE TECHNOLOGY AND DEVICES FOR DETERMINING THE GEOMETRICAL PARAMETERS IN THE CONSTRUCTION AND OPERATION OF HIGHWAYS
Vladimir V. Shcherbakov
The citizen of the Russian Federation The candidate of technical science, associate professor, the head of sub-faculty «Engineering geodesy» of Siberian State University of Railway Transport, The service address: 630049, Russia, Novosibirsk, Dusi Kovalchuk, str. 187, STU, phone: (383)328-05-91, e-mail: [email protected]
Existing methods shortcomings and facilities for determining the flatness of the road surface were examined. Universal Road Curvometer (URC "Rovnost") is presented. It was developed in Siberian State University of Railways based on the coordinate method for determining the geometrical parameters.
Key words: bearing of a railway, statement railway way to the design position, coordinate methods, GLONASS, GPS, smoothing, reconstruction, rail track, automated control system.
Выправка пути - один из наиболее трудоёмких процессов и в тоже время наиболее значимый, так как от качества выправки пути зависят эксплуатационные характеристики (плавность хода, скорость и т.д.), безопасность движения, затраты на текущий ремонт и содержание. Выправка пути производится при всех видах ремонта, реконструкции и новом строительстве. Выправка пути характеризуется как технологический процесс перемещения рельсовых нитей рельсо-шпальной решетки (РШР) в поперечных по отношению к оси пути горизонтальном и вертикальном направлениях из натурного положения, характеризуемого отступлениями от допусков и норм содержания, в другое, также натурное положение, характеризуемое отсутствием указанных отступлений, при этом натурное положение пути в общем случае характеризуется:
- наличием неровностей (изолированных или периодических), определяемых как плавно изменяющиеся вдоль пути отклонения рельсовых нитей в вертикальной и горизонтальной плоскостях от некоторого усредненного положе-
ния, характеризуемого геометрически определенной линией (прямой, переходной или круговой кривой);
- наличием общего отклонения срединного положения рельсовых нитей относительно их проектного.
Приведенные данные нормируются и оцениваются в продольном профиле, плане, по уровню и расстоянию между рельсовыми нитями, требованиями ПТЭ (правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации, ЦРБ-756), СТН-Ц-1-95 (Строительно-технические нормы МПС РФ Железные дороги колеи 1520мм), инструкциями ЦП-774 (инструкция по текущему содержанию пути) и ЦРБ-393 (инструкция по техническому обслуживанию и эксплуатации сооружений, устройств, подвижного состава и организации движения на участках обращения скоростных пассажирских поездов). При проведении контроля геометрии пути в процессе эксплуатации по положению средних (расчётных) линий путеизмерительными вагонами выявляются отступления от норм содержания, которые необходимо устранить.
Цель технологической операции выправки рельсовой нити, показанной условно линией (рис. 1), заключается в ее смещении в сечениях с заданным «шагом» вдоль пути по направлению и на величины, показанные стрелками, до положения линии 3. При таком смещении: происходит уменьшение отклонений положения 1 рельсовой нити относительно срединного натурного положения 2 и при этом уменьшаются соответственно разности отклонений в соседних вдоль пути сечениях. Повышается плавность в положении рельсовой нити вдоль пути. Такой процесс выправки пути, когда происходит общее смещение срединного положения из положения 1 в положение 2 (рис. 1) рельсовой нити, называют сглаживанием. Если такое смещение происходит в горизонтальной плоскости, то его называют сдвигом, а в вертикальной плоскости - подъемкой (движение вверх) или осаживанием (движение вниз, например, при динамической стабилизации балластного слоя стабилизатором). При смещении натурного положения рельсовой нити из положения 1 в положение 3 (рис. 1) достигается постановка пути в проектное положение.
Рис. 1. Методы выправки пути
На практике работы выполняются в зависимости от назначения выправки. Так, например, при текущем содержании выполняется выправка путём сглажи-
вания, т.е. рельсовая нить смещается (рис. 1) из натурного положения 1 в натурное положение 2. При этом натурное положение 2, как правило, не совпадает с проектным положением 3. В последние 30 лет не уделялось должного внимания на «увод» пути с проектного положения. Главной задачей в соответствии с требованиями по содержанию пути является обеспечение плавности хода. Т а-кой подход привёл путь в настоящее время к тому, что появились многорадиусные кривые, длинные неровности в плане (заводины), длинные неровности в профиле (лощины). Недостаток такого подхода выправки при реконструкции и ремонтах проявляется на этапе работ по содержанию рельсовой колеи. Так, длинные неровности в плане и профиле, ограничивают скорость движения, способствуют увеличению расстройства пути и износу рельсов, усилению концентрации значений напряженно-деформированных рельсовых плетей на локальных участках. При этом многорадиусные кривые также как и длинные неровности являются причиной расстройства пути, более ускоренного износа рельсов, ограничения скоростей, связанных с превышением нормирующих показателей непогашенного ускорения, и все эти факторы в совокупности негативно влияют на безопасность движения. Кроме того метод сглаживания приводит к нарушениям габаритов приближения строений.
Недостатки сглаживающих систем являются принципиальными, т.к. ограничивают их функциональные возможности в целом и без комплексирования с системами управления выправкой пути, созданными на базе координатных методов, и соответственно пространственных данных не эффективны и не имеют перспективы развития. При этом в настоящее время практически весь парк вы-правочных машин типа ВПР, ВПО, Дуоматик и другие оснащен хордовыми (сглаживающими) системами. Кроме того, путеизмерительные вагоны типа КВЛП и ЦНИИ-4 также оснащены хордовыми системами измерений.
Второй тип измерительных систем выправки пути основан на использовании неподвижной относительно пути измерительной базы. Системы, реализующие методы выправки, связанные с использованием неподвижных относительно пути баз - линий визирования, называются системами, работающими по методу постановки пути в фиксированные точки, или системами, работающими по методу фиксированных точек. Неподвижная базовая линия визирования в зависимости от конструктивных особенностей системы может быть выполнена в виде оптической оси, лазерного модулированного в горизонтальной и (или) вертикальной плоскости луча и т.д. Выправка пути по прямой неподвижной базовой линии отчёта значительной протяженности позволяет измерить и устранить длинные неровности в плане (заводины) и профиле (лощины).
Методы и СУВП, основанные на фиксированной базе, могут быть использованы как в режиме сглаживания, так и постановки пути в проектное положение. Если оптический прибор или лазерный построитель плоскости не привязан к геодезической системе координат или проектным параметрам, то выправка выполняется из натурного положения 1 в натурное положение 2 (рис. 1). Если лазерные построители плоскости или другие средства измерений имеют геодезическую привязку в системе координат проекта, то выполняется перемещение пути из натурного положения 1 в натурное положение 3 (рис. 1). В отличие от
сглаживающих методов на подвижной хорде данный метод позволяет избежать появления длинных неровностей в плане и профиле. Практическая реализация данных методов показывает эффективность их применения при выправке пути. В качестве примера можно привести систему ЕМ - SAT. Электронная аппаратура системы EM-SAT размещается в измерительном вагоне и на специальной самоходной тележке. Опыт использования этих системы получен на железных дорогах Г ермании (DBAG), Австрии и в Италии.
Создание опорной оптической оси в вертикальной и горизонтальной плоскости широко применяется в настоящее время при планировочных работах, профилировании земляного полотна на бульдозерах, автогрейдерах, экскаваторах и др. строительной технике. Проблема постановки пути в проектное положение на железных дорогах ОАО «РЖД» заключается в том, что проекты создаются в относительных величинах. Наиболее распространенным в настоящее время методом постановки пути в проектное положение является измерение и сравнение текущего расстояния между осями выправляемого и соседнего пути с проектными данным из эпюры рихтовок, путем вычисления их разности и сдвижки пути на эту разность, т.е. проектную величину. Недостатки очевидны, они связаны с относительными методами измерений. Это длинные неровности в плане и в профиле, т.к. рихтовочный путь (рельсовая нить), от которого выполняются измерения, в течение времени изменяет пространственное положение под действием динамических нагрузок. На момент выполнения ремонтных работ железнодорожный путь не соответствует пространственному положению в период проектирования. Решением задачи постановки пути в проектное положение с высоким качеством является использование координатных методов. Сущность этих методов заключается в сравнении текущих координат натурного положения выправляемого пути с проектным. Сравнение может выполняться непрерывно или дискретно в зависимости от САУ и аппаратно-программной реализации выправки пути. В странах Европы наиболее широкое применение получил координатный метод, в основе которого лежит создание искусственной опорной линии вдоль ремонтируемых путей в виде копир-струны (см. рис. 2).
Копир-струна натягивается на держатели, которые имеют геодезическую привязку к пунктам реперной геодезической сети через определенный интервал 10 - 50 м. Это наиболее точный метод постановки пути в проектное положение, в то же время наиболее трудоемкий и затратный.
Сибирский государственный университет путей сообщения (СГУПС) в сентябре 2008 г. впервые в России разработал и совместно с ОПМС - 19. провел испытания системы управления выправкой пути (СУВП) на базе ГНСС (ГЛО-НАСС/GPS). На рисунке 3 показан внешний вид ЭЛБ-4С, а на рис. 4 функциональная схема САУ ЭЛБ-4С. Принципиальным отличием, разработанной в СГУПС САУ для строительных железнодорожных машин является наличие систем контроля пространственного положения рабочих органов ПРУ относительно фазового центра спутниковой антенны.
Рис. 2. Копир-струна
Рис. 3. Внешний вид электробалластера ЭЛБ -4С
Рис. 4. Функциональная схема ЭЛБ-4С САУ такого типа значительно сложнее в сравнении с САУ жестко связанных с рабочими органами, например САУ бульдозера.
Всего СГУПС разработал, изготовил и испытал два типа САУ на четыре путевые машины, включая три щебнеочистительные и одну выправочную ма-
шину отечественного и импортного производства. Это направление является наиболее перспективным и развивающимся с нарастающей динамикой. Опыт, полученный при создании СУВП на базе ГНСС для железнодорожной строительной техники, позволяет создавать комплексные технологии по реконструкции пути, использующиеся на всех этапах реконструкции от планировочных работ до постановки пути в проектное положение и исполнительных съемок.
На рис. 5 показан общий вид щебнеочистительной машины RM 2002 и схема размещения оборудования САУ. Машина предназначена для глубокой вырезки балласта, САУ обеспечивает вырезку в соответствии с проектом, включая глубину вырезки по фактическим и проектным высотным отметкам, планировку по поперечным уклонам итд.
Рис. 5. Внешний вид щебнеочистительной машины, оборудованной САУ
Рис. 6. САУ ЩОМ на базе ГНСС Преимуществом СУВП на базе ГНСС является возможность полной автоматизации процесса выправки пути, комплексирования с базовыми системами управления выправкой пути, установленными на путевых машинах, обеспечение единства измерений и отказ от разбивочных работ и геодезического сопровождения в процессе ремонта (модернизации) железнодорожного пути. По точ-
ности СУВП, созданные на базе ГНСС (ГЛОНАСС/GPS), пока уступают лазерным построителям плоскости и особенно СУВП, включающих копир-струну, при этом по производительности работ и трудоемкости имеют лучшие показатели. На рис. 7 показано главное окно оператора ЩОМ.
Рис. 7. Главное окно оператора ЩОМ
Из приведенного рисунка видно, что кроме служебной информации САУ на базе ГНСС, обеспечивает оператора машины данными о габаритах приближения строений, что позволяет на действующем пути обеспечивать безопасность движения поездов.
Учитывая, что в соответствии с постановлением президента компании В.И.Якунина №2511 от 03.12.2010 г. «О создании комплексной системы пространственных данных инфраструктуры железнодорожного транспорта» ОАО «РЖД» переходит на координатные методы проектирования, ремонтов и эксплуатации, железных дорог разработки САУ на базе ГНСС, выполненные в СГУПС будут востребованы.
© В.В. Щербаков, 2013
