Admin

Анализ отказов основных элементов стрелочных переводов с определением показателей надежности

Д-р техн. наук Б. Э. ГЛЮЗБЕРГ, канд. техн. наук М. И. ТИТАРЕНКО, инженеры А. М. КАЛАЧЕВ, Е. В. САВАТЕЕВА, С. М. КОРНЕВА


Современные условия работы железнодорожного транспорта требуют обеспечения безопасности и бесперебойности перевозочного процесса при минимизации затрат на приобретение и эксплуатацию технических средств. В первую очередь это относится к пути как одной из капиталоемких отраслей железнодорожного транспорта.

Среди проблем, связанных с решением этой задачи, важное место занимают вопросы приобретения, рационального использования и технического обслуживания стрелочных переводов — наиболее дорогих и сложных конструкций верхнего строения пути.

В настоящее время в технике подобные задачи решаются с использованием показателей надежности технических средств.

Выбор подхода в оценивании надежности, подбор системы показателей, способы их расчета в значительной степени определяются возможностями получения информации о работе рассматриваемого объекта исследований.

Применительно к стрелочным переводам такой работы ранее не проводилось.

В данной статье представлены показатели надежности основных элементов стрелочных переводов наиболее массовых конструкций: остряков, рамных рельсов, рельсов соединительных путей, крестовин, контррельсов. Показатели определены на основе сведений об отказах элементов, полученных с дистанций пути дорог.

Полученные данные можно использовать для построения моделей безотказной работы основных элементов стрелочных переводов, а также установления нормативных сроков службы стрелочных переводов и порядка их обслуживания в процессе эксплуатации.

Применительно к стрелочным переводам надежность следует понимать как способность обеспечивать безопасное движение по ним подвижного состава с установленными скоростями при существующей системе их содержания и ремонтов в течение установленного срока службы.

Возможны три различные постановки проблемы надежности по стрелочной проблематике:

1. Надежность стрелочного хозяйства на рассматриваемом направлении или дороге (как системы с восстанавливаемыми параметрами);

2. Надежность стрелочного перевода, работающего в заданных эксплуатационных условиях (как системы с частично или полностью восстанавливаемыми параметрами);

3. Надежность основных элементов стрелочных переводов (в основном как не восстанавливаемых в процессе эксплуатации).

Первая и вторая задачи надежности могут быть полезными при решении проблем управления в путевом хозяйстве.

Третья задача дает возможность установления гарантийных и нормативных сроков службы элементов стрелочных переводов и условий обращения по ним подвижного состава, а также в случае возникновения тех или иных дефектов. Эта задача может быть решена при ограниченном объеме эксплуатационных данных на основе выборочных (в статистическом смысле) исследований.

При этом каждый элемент следует рассматривать как невосстанавливаемый: в отличие от рельсов элементы стрелочных переводов устанавливаются в путь отдельно, а не партиями; решение об изъятии их из пути принимается также отдельно для каждого элемента.

Налаженная система ремонта существует только для крестовин, однако этот вопрос должен быть рассмотрен отдельно, так как по различным причинам восстанавливаются не все крестовины. Поэтому вопрос о надежности основных элементов стрелочных переводов следует рассматривать как вопрос работы элементов, не восстанавливаемых в процессе эксплуатации.

Надежность невосстанавливаемых систем (элементов) может быть охарактеризована распределением наработки элементов до отказа, вероятностью их безотказной работы и интенсивностью отказов. Эти три показателя в силу вероятностных условий нагружения в процессе работы в пути и детерминированных свойств каждого элемента после его изготовления непостоянны в различные периоды эксплуатации. Поэтому следует говорить о них не как о фиксированных показателях, а как о зависимых от условий эксплуатации.

Именно в такой постановке показатели надежности исследуются в настоящей статье. Так, в ней рассматривается анализ выхода отдельных основных элементов (крестовин, остряков, рамных рельсов, рельсов соединительных путей и контррельсов) стрелочных переводов наиболее массовой конструкции (типа Р65 марки 1/11), применяемой на Российских железных дорогах.

Анализу была подвергнута работа элементов стрелочных переводов, изъятых в 1995...1997 гг. на Дальневосточной, Забайкальской, Восточно-Сибирской, Красноярской, Южно-Уральской, Западно-Сибирской, Куйбышевской, Октябрьской, Горьковской, Московской, Северо-Кавказской и Северной железных дорогах, при грузонапряженностях до 80 млн. т·км брутто на км в год, осевых нагрузках — до 20,7 т·с, скоростях по основному направлению — до 100, по ответвленному — до 40 км/ч.

В итоге объем выборки для крестовин составил 2588 шт.; остряков — 1431 шт.; рамных рельсов — 1311 шт.; рельсов соединительных путей — 515 шт.; контррельсов — 167 шт.

Данные по этим элементам в зависимости от наработки до изъятия группировались по интервалам. Размер интервала для крестовин имеет величину Dt = 20 млн. т брутто. Для остряков, рамных рельсов, рельсов соединительных путей и контррельсов Dt = 50 млн. т брутто.

По результатам полученной таким образом выборки были построены гистограммы наработки по отказам для остряков, рамных рельсов, крестовин и контррельсов.

В каждом интервале наработки для всех элементов определялись показатели надежности: R(t) — вероятность безотказной работы; L(t) — интенсивность отказов. Эти величины вычисляются по формулам:

где N(t) — число элементов, безотказно работающих в момент t; N — общее число элементов;


где N(t) — число элементов, безотказно работающих в момент t; Dt — размер интервала.

Для обобщения полученных данных зависимости R(t) и L(t) аппроксимировались по методике, разработанной в лаборатории стрелочного хозяйства ВНИИЖТа.

На рис. 1, а, б показаны соответственно зависимости вероятности безотказной работы и интенсивности отказов остряков от наработки, полученные прямой обработкой собранных статистических данных.


Рис. 1. Вероятность безотказной работы R(t) (а) и интенсивность отказов L(t) (б) остряков стрелочных переводов типа Р65 марки 1/11


Из рис. 1, а видно, что к моменту нормативной наработки вероятность безотказной работы остряков составляет 0,26. Учитывая, что принятые МПС РФ в 1991 г. нормативные сроки службы были близки к средним сетевым значениям периода 1980...1990 гг., следует отметить значительное снижение вероятности безотказной работы остряков с падением грузооборота на сети. Это подтверждает качественный характер зависимостей сроков службы остряков от грузонапряженности, полученных ранее стрелочной лабораторией и отраженных в указании № А-1450у.

Количественная зависимость влияния грузонапряженности на показатели надежности остряков и других элементов стрелочных переводов требует отдельного рассмотрения.

Тем не менее с учетом полных данных по замене стрелочных переводов на сети дорог МПС РФ сроки их службы, в значительной мере определяемые сроками службы элементов стрелки, изменились мало.

Ответ на этот, на первый взгляд парадоксальный, факт дает анализ интенсивности отказов остряков. Из графика на рис. 1, б видно, что интенсивность отказов остряков на значительном промежутке от начала работы остается одинаковой.

Левая граница области недостаточного объема статистичесих данных определяется как величина наработки, при которой в эксплуатации остается менее 3 % анализируемых элементов.

Соответствие системы обслуживания требованиям обеспечения безопасности движения поездов в значительной степени может быть охарактеризовано изменением интенсивности отказов. Поэтому такой характер зависимости интенсивности отказов от наработки позволяет использовать без изменений систему обслуживания стрелок для наработки, значительно превышающей нормативную.

Для определения граничных значений наработки, в пределах которой интенсивность отказов близка к постоянной, была выполнена аналитическая аппроксимация зависимостей вероятности безотказной работы и на ее основе — интенсивности отказов. Результаты аппроксимации представлены на рис. 2, а, б.



Анализ рис. 2, б показывает, что интенсивность отказов остается близкой к постоянной до наработки 600...650 млн. т брутто, т. е. практически до наработки, в 2 раза превышающей нормативную! При этом порядок эксплуатационного обслуживания остряков в этот период может не отличаться от аналогичного для новых переводов.

Возвращаясь к зависимости вероятности безотказной работы (см. рис. 2, а), можно увидеть, что при таком подходе рабочий ресурс остряков возможно поднять до 95 %, что во много раз превышает используемый ресурс рельсов.

Зависимости вероятности безотказной работы и интенсивности отказов рамных рельсов от наработки в пути, полученные в результате прямой обработки статистической информации с дорог, приведены на рис. 3, а, б.



Общий вид и характер зависимостей близок к аналогичным для остряков. К моменту нормативной наработки вероятность безотказной работы рамных рельсов выше, чем у остряков, и составляет 0,30 (см. рис. 3, а). Интенсивности же отказов рамных рельсов и остряков практически одинаковы (см. рис. 1, б и 3, б). Это свидетельствует о том, что, несмотря на рекомендации ВНИИЖТа и соответствующие указания Департамента пути и сооружений МПС, на главных и приемо-отправочных путях производится замена отдельных остряков вместо замены полустрелок.

Сравнительный анализ зависимостей вероятностей безотказной работы от наработки остряков и рамных рельсов (см. рис. 1, а и 3, а) показывает, что разница между ними формируется за счет начальной стадии работы — до наработки 50...100 млн. т брутто, т. е. в период, когда износ стрелки невелик и новые остряки, заменяющие вышедшие из строя по дефектам, могут работать в паре с уже работающим в пути рамным рельсом.

В целом замена отдельных остряков на ранних стадиях работы стрелки экономически оправданна, однако для обеспечения безопасности движения поездов целесообразно разработать специальный инструктивный документ, регламентирующий условия такой замены.

Так же, как и остряки, рамные рельсы целесообразно эксплуатировать в таких пределах, где интенсивность их отказов близка к постоянной. Для объективной оценки граничных значений наработки, до которой это имеет место, была проведена аналитическая аппроксимация зависимости вероятности безотказной работы рамных рельсов от наработки (рис. 4, а и б) и на ее основе получена аналитическая зависимость интенсивности отказов рамных рельсов от пропущенного по стрелке груза (рис. 4, б).



Из графика на рис. 4, б видно, что величина наработки, в пределах которой интенсивность отказов рамных рельсов близка к постоянной, так же, как и для остряков, составляет 600...650 млн. т брутто.

Показатели надежности для крестовин, их зависимость от наработки коренным образом отличаются от аналогичных показателей для рельсовых элементов стрелочного перевода.

Вероятность безотказной работы крестовин на момент нормативной наработки составляет 0,64 (рис. 5, а). Величина достаточно большая.



Причина этого в первую очередь связана с большим объемом работ по совершенствованию конструкции крестовин массового производства. В конце 80-х...начале 90-х годов на стрелочных заводах были практически реализованы исследования по совершенствованию геометрии рабочих поверхностей, конструкции хвостовой части и передней врезки крестовин.

В результате в значительной степени удалось ликвидировать причины, вызывавшие отказы крестовин на ранней стадии их работы. Если применить подход, который использовался ранее при установлении нормативных сроков службы крестовин, то в настоящее время следовало бы принять в качестве нормативной наработки крестовин величину 130 млн. т брутто (см. рис. 5, а).

В связи с ликвидацией основных конструктивно-технологических недостатков крестовин всплеска интенсивности отказов крестовин в начальный период работы не наблюдалось (рис. 5, б). Интенсивность отказов крестовин в начальный период мала и плавно возрастает в процессе наработки, достигая к моменту пропуска 120...130 млн. т брутто груза величины, в 2,5 раза превышающей аналогичную для первоначального периода работы элементов стрелки.

Затем наступает период стабильной работы крестовин — интенсивность отказов близка к постоянной. Период этот завершается после прохода по крестовинам приблизительно 250 млн. т брутто груза, после чего идет резкий рост интенсивности отказов крестовин.

Более подробный анализ, выполненный с помощью аналитических аппроксимаций зависимостей от наработки вероятности безотказной работы крестовин и интенсивности их отказов (рис. 6, а и б), показал, что некоторый рост интенсивности отказов крестовин в период наработки 130...250 млн. т брутто все-таки имеет место, однако резкий рост интенсивности их отказов наблюдается после прохода по ним 250...260 млн. т брутто груза.


Рис. 6. Вероятность безотказной работы (а) и интенсивность отказов (б) крестовин:
1 — статистические данные; 2 — аналитическое распределение


Таким образом, безопасная эксплуатация крестовин с точки зрения существующей системы эксплуатационного обслуживания не должна продолжаться дольше прохода по ним 250...260 млн. т брутто груза.

Контррельсы из спецпрофилей в настоящее время являются наиболее отработанными из рельсовых элементов стрелочных переводов. После введения в конструкцию усовершенствованных контррельсовых спецпрофилей в 1986 г. отказы контррельсов по дефектам усталостного характера практически прекратились.

В настоящее время такие отказы присутствуют лишь в единичных случаях. Одиночное изъятие контррельсов из пути производится, как правило, в результате их износа или расстройства узлов крепления, однако общее число этих случаев не превышает 1...2 % всех изымаемых из пути контррельсов.

За длительный период наблюдений удалось получить данные об одиночном изъятии только 165 контррельсов. Построенные на основе этих данных зависимости вероятности безотказной работы и интенсивности отказов контррельсов представлены соответственно на рис. 7, а и б.

Рис. 7. Условная вероятность безотказной работы R(t) (а) и условная интенсивность отказов L(t) (б) контррельсов стрелочных переводов типа Р65 марки 1/11

Эти зависимости являются условными, так как относятся только к отказавшим контррельсам, а их доля, как уже отмечалось, не превышает 1...2 %. Основная часть контррельсов изымается из пути либо при смене ходовых рельсов при контррельсах, либо в порядке сплошной смены металлических частей стрелочных переводов.

В то же время контррельсы являются элементами, обеспечивающими безопасность движения подвижного состава по стрелочному переводу, и знание особенностей показателей их надежности необходимо. Поэтому главная цель построения зависимостей, показанных на рис. 7, а и б, не в получении численных значений, а в выявлении закономерностей отказов контррельсов.

Интенсивность отказов контррельсов (см. рис. 7, б) с начала эксплуатации стрелочных переводов до прохода по ним 650...700 млн. т брутто близка к постоянной. Это подтверждают результаты аналитической аппроксимации зависимости вероятности безотказной работы и интенсивности отказов контррельсов, представленные на рис. 8, а и б.



Повышение интенсивности отказов контррельсов начинается после пропуска по крестовинному узлу около 600 млн. т брутто. Однако практически значимое возрастание начинается после прохода по узлу 650...700 млн. т брутто (см. рис. 8, б). После достижения этой наработки наблюдается резкое возрастание интенсивности отказов контррельсов, имеющее характер, близкий к экспоненциальному (см. рис. 8, б). Несмотря на то что фактическая интенсивность отказа контррельсов (с учетом доли отказавших в одиночном порядке элементов) даже после наработки порядка 900 млн. т в 18 раз меньше, чем элементов стрелки, экспоненциальный характер нарастания интенсивности отказов свидетельствует об исчерпании ресурса контррельсов. Использовать их после наработки 650...700 млн. т брутто крайне нецелесообразно.

В результате выполненной работы можно сделать следующие основные выводы.

1. В качестве показателей надежности основных элементов стрелочных переводов целесообразно использовать вероятность безотказной работы элементов и интенсивность их отказов.

2. Анализ показателей надежности основных элементов стрелочных переводов показал, что в настоящее время целесообразно перейти от системы планирования замены стрелочных переводов, опирающейся на нормативные показатели, к планированию замены переводов и их элементов исходя из обеспечения безопасности движения и заданной системы эксплуатационного обслуживания.

Такой подход позволяет повысить используемый ресурс основных элементов: стрелки — до 93...95 %; рельсов соединительных путей — до 88 %; крестовин — до 87 %; контррельсов — до 99 %.

При этом ограничивающим показателем должен быть показатель надежности — интенсивность отказов.