[01-2023] Прогнозирование надежности рельсов на Восточном полигоне при увеличении перевозок сыпучих грузов
 

Прогнозирование надежности рельсов на Восточном полигоне при увеличении перевозок сыпучих грузов

ЩЕПОТИН Г.К., Сибирский государственный университет путей сообщения, докт. техн, наук

Аннотация. Модернизация дорог Восточного полигона позволит существенно увеличить объем перевозок сыпучих грузов. В связи с этим требуются методы расчета, позволяющие прогнозировать долговечность элементов пути в условиях роста силового воздействия на него с учетом случайного характера внешних сил и природы физических характеристик элементов конструкции.

В отсутствии количественных физических теорий разрушения элементов пути при динамических нагрузках предлагается использовать феноменологические модели. При этом за основу принимается случайный процесс накопления повреждений, согласующейся с экспериментальными данными усталостных испытаний. Расчеты показывают, что увеличение грузооборота тяжеловесных поездов приведет к существенному росту отказов рельсов, а также их изломов особенно зимой.
Ключевые слова: надежность рельсов, феноменологическая модель, случайный процесс накопления повреждений, нагрузки на ось, тяжеловесное движение.
Модернизация дорог Восточного полигона позволит увеличить число грузовых поездов с новыми вагонами большей грузоподъемности. В этом случае следует ожидать роста интенсивности отказов пути из-за повышения осевых нагрузок и грузонапряженности.
Вместе с тем дороги Восточного полигона отличаются неблагоприятными условиями эксплуатации. Низкие температуры, сложные инженерно-геологическая ситуация, план и профиль линий существенно сокращают срок службы элементов пути.

Для разработки плана компенсации эксплуатационных издержек необходимо определить стратегию развития рельсового хозяйства с учетом роста осевых нагрузок и грузонапряженности.
В связи с этим совершенствования требуют и методы расчета конструкций, позволяющие сделать прогноз долговечности элементов пути в условиях увеличения силового воздействия на него.
При анализе работы транспортных систем данная задача существенно усложняется. Возникает необходимость учета случайного характера внешних сил и случайной природы физических характеристик элементов конструкции, воспринимающих динамические нагрузки [i]. Появляются новые задачи о нахождении вероятностных характеристик поведения конструкции, при решении которых требуется исходить из следующих основных положений современной теории надежности [2]:
внешние условия эксплуатации конструкции и ее поведение — случайные процессы. Поэтому решение эксплуатационных задач возможно лишь с привлечением теории случайных функций;
за основной показатель надежности принимается вероятность нахождения параметров системы в некоторой допустимой области, выход из которой — нарушение нормальной работы;
выход конструкции из строя является следствием постепенного накопления повреждений — остаточных деформаций, износа и т.п. Эти повреждения, достигнув определенной величины, начинают препятствовать нормальной эксплуатации конструкции.
Решение подобных задач для железнодорожного пути затруднено по следующим причинам. При движении транспорта конструктивные элементы дороги воспринимают нагрузки в виде повторяющихся пульсаций. Многократное приложение такой нагрузки приводит к накоплению усталостных повреждений и остаточных деформаций в элементах пути [3]. При этом осуществить лабораторные усталостные испытания, например, рельсов, очень сложно. Кроме этого, невозможен прямой перенос количественных результатов испытаний на действующий путь.
Фактический спектр нагрузок, а соответственно наиболее полное представление о надежности элементов пути, можно получить только в натурных условиях. Поэтому организация таких исследований является очень важной современной проблемой теории испытаний на надежность [4].
Вместе с тем, ввиду отсутствия количественных физических теорий разрушения элементов пути при динамических нагрузках целесообразно использовать феноменологические подходы для рассмотрения динамической системы с входом и выходом, которую схематично можно представить в следующем виде:



Qcp = 20,5 тс уже значительно раньше — при Тн = 500 млн т груза брутто.
Для кривых радиусом R = 500 м наработка Тн при Qcp = 20,5 тс составляет всего 300 млн т груза брутто, а сам процесс накопления отказов имеет все признаки «взрывного» типа, при котором становиться затруднительно обеспечивать безопасность движения поездов. (Наличие большого количества кривых участков пути является характерной чертой дорог Восточного полигона.)
Обращает на себя внимание также и существенная неравномерность в распределении отказов рельсов по сезонам года [3]. На рис. 3 приведена экспериментальная зависимость коэффициента среднемесячного выхода рельсов в зимний период относительно летнего от средних осевых нагрузок Qcp. Очевидно что низкие отрицательные температуры вызывают рост интенсивности отказов рельсов. Наибольший рост наблюдается при максимальных осевых нагрузках.
При этом согласно исследованиям ВНИИЖТа ежегодно 80 % изломов рельсов под поездами происходит в зимние месяцы. Чем ниже температура зимой, тем больше изломов [9].


Таким образом, увеличение перевозок сыпучих
грузов в условиях дорог Восточного полигона ведет к существенному росту осевых нагрузок и, как следствие, росту числа отказов рельсов, а также их изломов особенно в зимний период.
Для обеспечения безопасности движения поездов потребуется значительно увеличить парк дефектоскопных средств для своевременного контроля состояния рельсов, а также подготовить необходимое количество операторов для работы с ними.
В новых условиях эксплуатации возникнет также необходимость и в более частой сплошной замене рельсов, что повлечет за собой необходимость создания новых мощностей для выпуска рельсов.

Список источников

1. Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М.: Транспорт, 1986. 559 с.
2. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. 488 с.
3. Щепотин Г.К. Эксплуатационная надежность железнодорожного пути. Екатеринбург: Изд-во УрГУПСа, 2008. 144 с.
4. Надежность технических систем : справочник / Р. Барлоу, Ю.К. Беляев, В.А. Богатырев и др.; под ред. И.А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1985. 608 с.
5. Щепотин Г.К. Прогнозирование отказов рельсов и аварийных ситуаций // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2019. № 4 (51). С. 5-11.
6. Тарнопольский Г.И., Шкляр В.Н. Расчеты усталостной надежности железнодорожных рельсов // Механика деформируемого тела и расчет сооружений. Новосибирск, 1970. С. 165-169. (Труды НИИЖТ; вып. 96).
7. Щепотин Г.К. Влияние грузонапряженности и осевых нагрузок на долговечность рельсов в регионах с холодным климатом // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2021. № 1 (56). С. 12-19.
8. Щепотин Г.К., Машкин Н.А. Эксплуатационная надежность железнодорожных рельсов промышленного производства // Инновации в жизнь. 2015. № 4 (15). С. 21—30.
9. Лысюк В.С. Причины и механизм схода колеса с рельса. Проблема износа колес и рельсов. М.: Транспорт, 1997. 188 с.