[03-2013] Мониторинг технического состояния ИССО

[Admin]

Мониторинг технического состояния ИССО

А.Н. ЯШНОВ, канд. техн. наук

На сети железных дорог России эксплуатируют десятки тысяч искусственных сооружений, которые являются наиболее сложными и дорогостоящими конструкциями путевого хозяйства. Несмотря на значительные средства, вкладываемые в их комплексную реконструкцию, сооружения «стареют». Идет постепенное накопление различных повреждений, и для поддержания и восстановления транспортноэксплуатационных качеств сооружений может потребоваться не только содержание или профилактический ремонт, но и более серьезные работы, в том числе капитальный ремонт и реконструкция. Необходима объективная оценка технического состояния сооружений, своевременное выявление и предупреждение повреждений, влияющих на безопасность движения поездов. Но при этом, если для диагностики верхнего строения пути существуют специальные вагоны-пу-
теизмерители и другое оборудование, то основой оценки технического состояния мостов до сих пор остаются осмотры или обследования, лишь иногда с применением специальных приборов. Необходимость обеспечения безопасности движения на мостах для повышения эксплуатационной надежности транспортной системы в условиях увеличения размеров и интенсивности нагрузок обусловливает актуальность развития мониторинга ИССО.

Системы мониторинга мостов разработаны и функционируют в США, Японии, Швейцарии и других странах. В последнее время и в России появились подобные разработки, например, можно отметить внедряемую в настоящее время систему мониторинга конструкций моста на о. Русский. Однако реализуемые проекты имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что они предусматривают контроль кон-
кретного сооружения в определенный период его жизненного цикла. А безотказность сооружения, обеспечивающая безопасность движения, формируется на всех этапах его эксплуатации. При этом сооружение является сложной системой, т.е. множеством элементов (которые, в свою очередь, могут быть системами), образующих определенную целостность, единство. Если пытаться оценивать каждый конструктивный элемент отдельно, «вырывая» его из системы, то объем получаемой информации превысит разумные пределы, существенно усложняя общую оценку. Необходимо, с одной стороны, выделять интегральные параметры, отражающие изменение технического состояния сооружения в целом. С другой стороны, наиболее проблемные по своему состоянию элементы или подсистемы требуют дополнительных контрольных мероприятий.

Еще одним недостатком, на наш взгляд, является ничем не оправданная ориентация на применение импортного оборудования в системах мониторинга.

Требуется комплексное решение проблемы управления техническим состоянием ИССО на железных дорогах России, которое возможно только на основе реализации системного подхода к организации мониторинга на всех этапах жизненного цикла сооружений.

Учитывая, что понятие «мониторинг» в последние годы стало очень распространенным, по-разному трактуемым различными авторами, дадим следующее определение. Мониторинг технического состояния — это специально организованное систематическое наблюдение за техническим состоянием с целью оценки и прогноза изменений. Таким образом, результатом мониторинга должно стать формирование модели управления техническим состоянием в виде регламентов режимов эксплуатации, содержания, ремонта, реконструкции. Комплексная структура мониторинга имеет следующие составляющие.

1. В основе функционирования любой системы мониторинга должна лежать подготовка специалистов, способных правильно оценить получаемые результаты. Глубочайшим заблуждением является упование только на «автоматику».

2. На проектных стадиях (проект строительства, разработка рекомендаций по ремонту, проект капитального ремонта и реконструкции) выполняют следующие операции:

техническая экспертиза проектных решений;

создание и поддержка автоматизированного банка проектных данных как основы системы мониторинга;

подготовка карточки ИССО (в АСУ ИССО).

3. На стадиях строительства, ремонта, капитального ремонта и реконструкции осуществляют;

авторский надзор;

технический надзор;

научно-техническое сопровождение;

мониторинг технических процессов;
мониторинг напряженно-деформированного состояния конструкций;

формирование истории сооружения в автоматизированных интеллектуально-аналитических системах.

4. Во время эксплуатации мониторинг включает в себя следующие работы: осмотры; обследования; испытания;

оценка грузоподъемности; оценка технического состояния; формирование автоматизированных баз данных по неисправностям;

получение объективной информации для прогноза изменения технического состояния и принятия решений.

Следует отметить, что на железных дорогах России система надзора технического состояния уже давно сложилась и по сути своей является периодическим мониторингом. Организационная структура управления техническим состоянием искусственных сооружений может быть представлена иерархической схемой
с подчинением низших звеньев высшим. Более низкий уровень управления обеспечивает информационную поддержку более высокого, сбор и агрегация информации организованы на основе заранее заданных отчетных периодов и установленных форм отчетности. Информация, поступающая с нижнего уровня, служит как для планирования мероприятий, связанных с эксплуатацией искусственных сооружений, так и для контроля организационной и производственной деятельности подчиненных подразделений.

Многолетний опыт традиционной организации надзора за состоянием искусственных сооружений показал жизнеспособность такой системы. Разработанная в СГУПС «Автоматизированная информационно-аналитическая система управления техническим состоянием» (АСУ ИССО) органично дополнила существующую систему возможностями современных средств автоматизации процесса анализа и принятия решений.

Эффективность АСУ ИССО, подтвержденная на сети железвнедрении сформированы базы данных по инженерным сооружениям (более 80 тыс. мостов, тоннелей, водопропускных труб и др.) в объеме, необходимом для принятия обоснованных решений по их содержанию и ремонту. Однако уже на этом этапе отмечался ряд недостатков технологии, использующей стационарные персональные компьютеры. Это проявлялось при сопряжении информационных потоков между корпоративным информационным пространством ОАО «РЖД» (включающим АСУ ИССО) и результатами диагностики технического состояния сооружений (рис. 1). АСУ ИССО формирует необходимые для диагностирования документы, но дальнейший сбор данных о состоянии ИССО происходит на бумаге в произвольной форме (см. рис. 1, а),
что повышает вероятность ошибок и создает трудности при обработке, особенно в том случае, если эти операции выполняют разные специалисты. В результате возможно появление неполных данных в плохо структурированном виде. В момент возвращения обновленных сведений в АСУ ИССО источником информации служит уже не само сооружение в его актуальном состоянии, а данные, записанные ранее при полевых диагностических работах на бумажный носитель.

Выявленные недостатки позволили определить возможные пути дальнейшего развития мониторинга. Это, во-первых, использование современных карманных или планшетных компьютеров с мобильной версией АСУ ИССО, обеспечивающей нахождение в общем информационном
пространстве ОАО «РЖД» в режиме реального времени — сквозное информационное обеспечение (см. рис. 1, б). Во-вторых, подключение автоматизированных измерительных систем к карманным или планшетным компьютерам позволяет осуществлять не только визуальное, но и приборное диагностирование сооружений. Диагностические процедуры являются составляющими мониторинга, т.е. обеспечивается возможность автоматизированного мониторинга как периодического, так и непрерывного.

Целесообразно организовывать периодический мониторинг для малых и средних искусственных сооружений. При этом для каждой группы однотипных сооружений рекомендуется составлять специальную программу диагностики с использованием автоматизированных измерительных систем в рамках общей системы мониторинга. В качестве примера можно привести организацию обследования металлических балочных пролетных строений старых норм проектирования на Забайкальской дороге, выполненного в 2010 г. специалистами СГУПСа совместно с Читинской мостоиспытательной станцией.

Разработанная программа работ предусматривает измерение реакции конструкций на внешнее воздействие без перерыва в движении поездов с использованием автоматизированных измерительных комплексов для фиксации и первичной обработки результатов. В качестве реакций конструкций (контролируемых интегральных параметров) приняты два показателя:

напряжения в верхних и нижних поясах металлических балок (фиксируются с помощью тензо-датчиков - подробнее о тензодатчиках можно почитать по ссылке https://mashintertorg.ru/tenzodatchiki-kolonnogo-tipa);

собственные частоты свободных вертикальных и горизонтальных колебаний пролетного строения (фиксируются с помощью вибродатчиков-акселерометров).

Применяемое оборудование («Тензор МС») имеет сертификаты средства измерения, выданные Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии RU.C.34.007.A № 32603 и RU.C.27.007.A № 31740. Тензодатчики устанавливают по направлению действия максимальных нормальных напряжений в верхнем и нижнем поясах главных балок пролетного строения в одном сечении, расположенном в середине пролета. Дополнительно предусмотрена установка тензодатчиков вертикально в надопорном сечении, если минимальный класс металлического пролетного строения предварительно получен из расчета на местную устойчивость стенки балки. Вибродатчики для фиксации параметров собственных колебаний конструкций устанавливают в середине пролета на верхнем поясе балок.

Расчетные значения контролируемых параметров, таких, как напряжения в главных балках в середине пролета и частоты собственных колебаний балок, могут быть определены как инженерными методами, так и с помощью специализированных расчетных программных комплексов, реализующих метод конечных элементов (MIDAS Civil, Cosmos М). Преимущество применения конечноэлементных моделей состоит в возможности моделировать различные неисправности в конструкции, адаптируя результаты расчета к реальным условиям эксплуатации.

По отклонению фактических напряжений от расчетных значений можно судить о степени поврежденния конструкций коррозией и другими дефектами. Кроме того, определяется фактический динамический коэффициент. Например, наличие рельсовых стыков на пролетном строении, существенных провесов рельсов, неплотностей опирания пролетных строений и т.п. может привести к увеличенному динамическому воздействию. Последнее, однако, может быть и меньше расчетного.

Собственные частоты колебаний пролетного строения, регистрируемые под проходящей нагрузкой, будут существенно отличаться от расчетных из-за наличия в этот момент на конструкции значительной переменной массы подвижного состава. Учитывая, что погонная масса металлических пролетных строений старых норм проектирования лежит в пределах 0,5—1,0 тс/м, а распределенная нагрузка от обращающегося в настоящее время подвижного состава может превышать 10 тс/м, зафиксировать истинные собственные частоты колебаний конструкций под движущимся поездом не представляется возможным. Поэтому при экспресс-диагностике для возбуждения процесса колебаний конструкции прикладывается импульсное воздействие сосредоточенного груза малой массы 80—100 кг в середине пролетного строения, с эксцентриситетом по отношению к оси пролетного строения (метод малых импульсных воздействий). Виброграммы собственных колебаний записывают с помощью специальных чувствительных вибродатчиков-акселерометров системы «Тензор МС», устанавливаемых в середине пролета на верхнем (или нижнем) поясе одной из металлических балок. Уменьшение собственных частот колебаний может служить индикатором технического состояния конструкции.

Результаты могут быть представлены в виде графиков изменения напряжений, вибро- и спектрограмм (рис. 2), а также сохранены в цифровом виде в базе данных АСУ ИССО. Таким образом, появляется возможность периодического мониторинга пролетных строений с оценкой динамики его изменения. Естественно, для старых сооружений нет данных о начальном состоянии, но на вновь строящихся сооружениях и сооружениях после капитального ремонта или реконструкции уже можно осуществлять комплексный мониторинг.

На больших и внеклассных сооружениях, особенно при неудовлетворительном или аварийном состоянии, может быть развернута система непрерывного автоматизированного мониторинга, принципиальная схема которой показана на рис. 3.

Технико-экономическая эффективность внедрения мониторинга будет определяться следующими показателями:

повышение безопасности движения поездов за счет внедрения диагностических средств с автоматизированной оценкой технического состояния;

снижение внутренних затрат по хозяйству пути за счет оптимизации сроков и планов ремонтов искусственных сооружений на основе учета их фактического состояния, за счет рационального распределения материалов, использования машин и механизмов;

получение дополнительного дохода за счет повышения качества и оперативности информационного взаимодействия подразделений всех уровней управления путевого хозяйства, повышение уровня информированности управленческого персонала при значительном снижении трудозатрат на обработку информации.

Яшнов Андрей Николаевич — заместитель заведующего кафедрой «Мосты» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail:yan@stu.ru

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Путь и путевое хозяйство".

Перенес: Admin