Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Разработка и модернизация средств технического обслуживания железнодорожного пути

Специальность 05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог,

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Сычев Вячеслав Петрович

Москва - 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Российский государственный открытый технический университет путей сообщения".

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Филиппов Владимир Михайлович,

доктор технических наук, профессор Грищенко Валерий Александрович,

доктор технических наук, профессор Третьяков Александр Владимирович.

Ведущее предприятие: ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта" (ВНИИЖТ г. Москва).

Защита диссертации состоится "01" ноября 2007 года в "13" часов на заседании диссертационного совета Д 218.009.02 при Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения по адресу: 125993, г. Москва, ул. Часовая,22/2, ауд. 344

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "01" октября 2007 года.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просьба направлять в адрес диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор И.А. Алейников.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях реформирования железнодорожного транспорта требуется создание новой, эффективной, ориентированной на рыночную экономику, системы технического обслуживания железнодорожного пути. Поддержания пути в работоспособном состоянии - основная цель системы технического обслуживания железнодорожного пути, основанная на использовании комплекса технических, организационных, технологических средств. Поэтому создание новых и модернизация существующих средств технического обслуживания железнодорожного пути является актуальной задачей. Однако для эффективного функционирования системы технического обслуживания пути необходима информация о состоянии пути. Поэтому особую актуальность приобретает задача повышения информативности оценки состояния пути, в основе решения которой лежит задача прогнозирования появления неисправностей пути по показаниям вагона путеизмерителя и планирования управляющих воздействий на путь в виде комплекса путевых работ. Техническим средством путевого хозяйства, направленным на формирование управляющих воздействий на путь, является комплекс специального подвижного состава, самоходных и несамоходных путевых машин, применяемых при текущем содержании и ремонтах железнодорожного пути, а также вагонов и других транспортных средств, используемых при доставке материалов верхнего строения пути к месту производства работ, очистке пути от снега и засорителей, удаление растительности и т.п. (в дальнейшем СПС). ОАО "РЖД" принадлежит большое количество СПС, нормативный срок которых истек и которые по формальным причинам должны быть списаны, что при одномоментном списывании всей номенклатуры СПС и ограниченных средствах на поставку новых, приведет к снижению объема ремонтов железнодорожного пути и в конечном итоге к снижению уровня безопасности на железных дорогах. Ранее, на уровне практического решения, проблема продления ресурса СПС хозяйства пути не ставилась по ряду объективных и субъективных причин, поэтому весьма актуально создание системы продления ресурса СПС, которая должна состоять из правил и порядка организации работ по продлению срока полезного использования СПС, технологии проведения этих работ, методик диагностирования СПС с просроченным сроком службы, технических требований и проектно-конструкторской документации на капитально-восстановительный ремонт с модернизацией СПС, и организации проведения этих работ на ремонтных предприятиях.

Однако старая техника не позволяет коренным образом менять технологию ремонтов и текущего содержания пути. Поэтому актуальна проблема создания новых технических средств, обеспечивающих изменение технологии ремонтных путевых работ.

Таким образом, актуальность темы обусловлена необходимостью формирования новой системы технического обслуживания железнодорожного пути в условиях реформирования отрасли, реализовать которую с использованием СПС, выработавшем свой ресурс, невозможно. Поэтому в диссертации разработана система продления срока полезного использования СПС с просроченным нормативным сроком службы, разработаны методы и математические модели анализа показаний вагона путеизмерителя, направленные на повышение информативности оценки состояния железнодорожного пути в системе его технического обслуживания, разработаны и серийно внедрены технические средства нового поколения, обеспечивающие создание новых высокоэффективных технологий путевых работ.

Диссертация посвящена решению актуальной научной проблемы по созданию нового поколения и модернизации с продлением ресурса, эксплуатируемых технических средств, обеспечивающих создание новых технологий ремонта и текущего содержания пути и совершенствование системы технического обслуживания железнодорожного пути. В ее основе лежит решение крупных научно-технических задач по повышению информативности оценки состояния пути, разработке технологической системы продления срока эксплуатации специального подвижного состава хозяйства пути, разработке и серийном внедрении технических средств, в том числе нового поколения хоппер-дозаторов, обеспечивающих создание принципиально новой технологии путевых работ.

Цель работы. Разработка методов, технологий и технических средств, в том числе модельного ряда нового поколения хоппер-дозаторов, обеспечивающих создание новых технологий путевых работ. Разработка системы продления срока полезного использования эксплуатируемого на железных дорогах специального подвижного состава хозяйства пути, обеспечивающей возможность выполнения путевых работ в условиях ограничения инвестиций на закупку нового специализированного подвижного состава.

Основные задачи исследования по достижению цели работы:

- разработка методов и моделей повышения информативности оценки состояния пути по показаниям вагона путеизмерителя в системе технического обслуживания железнодорожного пути;

- увеличение срока полезной эксплуатации специального подвижного состава, используемого при ремонтах и текущем содержании пути;

- создание нового поколения технических средств, в том числе хоппер-дозаторов и на основе их применения разработка новой технологии ремонтов и текущего содержания пути.

Методы исследования: теория случайных процессов, математической статистики, теория системного анализа сложных объектов и ее применение при анализе создания и эксплуатации путевой техники, теория надежности машин и ее применение для оценки остаточного ресурса путевой техники, функционального и системного анализа сложных технических систем.

Наиболее существенные научные результаты, полученные лично соискателем. Разработаны:

- методы и модели, обеспечивающие повышение информативности оценки состояния пути в системе технического обслуживания железнодорожного пути;

- система, обеспечивающая увеличение срока полезной эксплуатации специального подвижного состава хозяйства пути, включающая в себя разработку методов, моделей, методик технического диагностирования специального подвижного состава хозяйства пути, а также технических требований к его ремонту и модернизации;

- модельный ряд нового поколения средств технического обслуживания железнодорожного пути, включая хоппер-дозаторы с новым функциональным назначением;

- новые, в том числе автоматизированные и механизированные технологии путевых работ в системе технического обслуживания железнодорожного пути.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе выводов подтверждается:

- практикой внедрения ее результатов в систему технического обслуживания железнодорожного пути и проводимыми путевыми работами по разработанным технологическим процессам с применением серийно поставляемых на дороги сети хоппер-дозаторов модели ВПМ-770, его модификаций и других технических средств.

- результатами проведенного обследования специального подвижного состава хозяйства пути и его эксплуатации в системе технического обслуживания железнодорожного пути после проведения работ по продлению срока их полезного использования;

Научная новизна заключается в разработке:

- методов и математических моделей, обеспечивающих повышение информативности оценки состояния железнодорожного пути в системе его технического обслуживания, включая создание новых устройств определения дополнительных параметров, характеризующих состояние пути и защищенных авторскими свидетельствами на изобретение (№ 1550022; №1624083; №1791238; № 1801844; № 1786220)

- системы продления срока полезного использования специального подвижного состава хозяйства пути, включая разработку методик их технического диагностирования и математические модели по оценке остаточного ресурса средств технического обслуживания пути;

- модельного ряда нового поколения хоппер-дозаторов и других технических средств хозяйства пути, защищенных патентами на изобретение (RU: № 2010076, № 2112826, № 2171755, № 2180888, № 2192362, № 2205763, № 2221718, № 2221719, № 2291076, № 2293674 и другие патенты, в том числе свидетельства на полезную модель).

Практическая ценность работы заключается:

в разработке:

- правил и порядка продления срока службы специального подвижного состава, используемого в хозяйстве пути (Указания МПС от 10.07.1997г № Б 833 у, от 12.02.1998 г. № С-144-у, от 31.03.1999г. № С 385у, от 15.10.1999 №Л 2332у);

- методик технического диагностирования специального подвижного состава хозяйства пути с просроченным нормативным сроком службы с целью продления срока службы утвержденных МПС РФ и ОАО "РЖД": хоппер-дозаторов; думпкаров; платформ, используемых в специальных составах для засорителей; снегоуборочной и снегоочистительной техники; автомотрис АС 1А 2; дрезины ДГКу;

- конструкторско-технологической документации, утвержденной МПС РФ и ОАО "РЖД" на:

капитально- восстановительный (капитальный с продлением срока полезной эксплуатации) ремонт СПС, а именно: хоппер-дозаторов, платформ и думпкаров, применяемых в хозяйстве пути, поезда снегоуборочного СМ 2, дрезины ДГК, оборудования для перевозки звеньев рельсошпальной решетки, машины выправочно-подбивочно-рихтовочной ВПР-02;

модернизацию хоппер-дозаторов моделей типа ЦНИИ ДВЗ и 55-76 (проекты 740.00.000 и 750.00.000 МХД);

новое поколение хоппер-дозаторов ВПМ-770 (проект 770.00.000) и его модификаций (исполнений) ВПМ-770 - Т, ВПМ-770 М;

универсальную платформу для материалов и оборудования при производстве путевых работ ПМ-820 (проект 820.00.000);

модуль дозировочный навесной МДН-810 (проект 810.00.000);

технологические процессы ремонтов и текущего содержания железнодорожного пути с использованием модернизированных и разработанных технических средств.

Серийном внедрении:

- капитально-восстановительного ремонта с модернизацией специального подвижного состава на предприятиях МПС РФ и ОАО "РЖД";

- нового поколения хоппер-дозаторов ВПМ-770 с модификациями;

- платформы для перевозки материалов и оборудования при ремонте железнодорожного пути ПМ-820;

Апробация работы. Ежегодно с 2001 гола опытные образцы, изготовленные по результатам исследований, демонстрируются на Международной выставке "Путевые машины" в г. Калуге, при этом на секциях выставки проводятся выступления и обсуждение разработанных и представленных образцов. Получены: Диплом 1-й степени за лучший экспонат международной выставки "Путевые машины" 2002 г. за образец Хоппер-дозатор ВПМ-770, Диплом 2-й степени за лучший экспонат международной выставки "Путевые машины" 2002 г. за модернизацию хоппер-дозатора ЦНИИ - ДВЗ. Проведены доклады: на научно-технической конференции ОАО "РЖД" "Перспективы технического развития путевого комплекса ОАО "РЖД" в условиях реформирования" 15-16 марта 2007г. в ЦДКЖ; на сетевой школе передового опыта "Организация эксплуатации, технического обслуживания и ремонта путевых машин. Их эффективное использование" 28.07.2007 г, в г. Новосибирск. Ежегодно с 2000 года результаты работы докладываются на технических совещаниях заводов ОАО "Калугаремпутьмаш" и на заводе ОАО "ТРАНСМАШ". Результаты работы также обсуждались на научно-технических совещаниях во ВНИИЖТ.

Реализация работы. По разработанным методикам проводится диагностирование специального подвижного состава хозяйства пути, продлевается срок их полезного использования. Серийно внедрены проекты на капитально-восстановительный ремонт специального подвижного состава и их модернизацию. Сертифицированы и серийно производятся хоппер-дозаторы модели ВПМ-770 и его модификации. Сертифицированы и серийно производятся платформы ПМ-820, используемые в различных ремонтных комплексах. Разработаны и утверждены технологические процессы ремонтов железнодорожного пути, в том числе с использованием опытных образцов МДН-810.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формируются цели и задачи исследования, излагаются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе анализируется зарубежный и отечественный опыт разработки и применения в системе технического обслуживания пути путевой техники, включая устройства контроля за состоянием рельсовой колеи. Проблемой механизации путевых работ начали заниматься с 1880 года с создания роликового транспортера для укладки рельсов, а первый вагон с опрокидывающимся кузовом для перевозки балласта был построен в 1898 году. В двадцатом веке над созданием специального подвижного состава работала группа ученых и конструкторов: Алешин В.А., Барыкин Ф.Д., Девьякович Г.М., Драгавцев А.М., Платов В.И., Плохоцкий М.А. и другие, а позже продолжены: Дубровиным В.Н., Ивановым Е.Р., Игнатенковым Г.И., Карповым Н.А., Ковальским В.Ф., Самохиным С.А., Сырейщиковым Ю.П., Щербининым Ю.П., Щекотковым Ю.М. и др. Однако общий курс на машинизацию путевых работ в СССР был взят только в 1978 году в основном с работ Исаева К.С., Стельмашова В.Н., Членова Н. Т, Федулова В.Ф., а впоследствии развит в работах Каменского В.Б., Ермакова В.М., Певзнера В.О. и др. В 1953 году был разработан первый хоппер-дозатор (модель ЦНИИ ДВЗ), впоследствии усовершенствованный, (модели ЦНИИ ДВЗ М и 55-76), конструкция которого к началу двадцать первого века не претерпела существенных изменений. Производство этих хоппер-дозаторов в девяностых годах прошлого века было прекращено. К началу двадцать первого века реализация передовых технологий машинизированной выправки пути и других видов ремонта оказалось перед угрозой срыва ввиду выработки ресурса у основной массы хоппер-дозаторов перечисленных выше моделей и всего основного парка СПС хозяйства пути.

В главе проанализирована оснащенность СПС отечественных железных дорог в 1990-2002 годах и с использованием данных ВНИИЖТ, проведена оценка динамики старения СПС на сети железных дорог и влияния фактического срока эксплуатации СПС на удельные простои в неплановом ремонте и техобслуживании, составлен прогноз до 2010 годы, эксплуатирующихся на дорогах СПС при условии их списания в соответствии с нормативными сроками службы. На основе определения комплексных показателей надежности СПС, в частности коэффициентов готовности и технического использования, произведена оценка потерь в работе СПС в зависимости от срока их эксплуатации. Выявлено, что средняя продолжительность суммарных простоев основных типов СПС в целом за рабочий сезон растет, например, к 2003 году в сравнении с 1998 года она выросла почти в 1,2-1,4 раза.

Общие потери рабочего времени по всем причинам в период с 1998-2004 годы в процентах от средней продолжительности рабочего сезона для различных типов СПС составили от 15 % до 50 %. В частности, для СЧ-600 от 30 % до 45 %; Унимат и Дуоматик от 15 % до 20 %, ВПР от 20 % до 40 %, ЩОМ от 35 % до 65 % и т.д. Определена расчетная годовая выработка СПС. Например, при минимальном простое, равном 31 день, выработка составила: для СЧ-600, ЩОМ, РМ порядка 70 км в год, Дуоматик более 600 км в год, Унимат более 800 стрелочных переводов в год и т.д. Проведенный анализ показывает значительный разброс значений ресурса и наработки на отказ для аналогичных по конструкции и условиям работы узлов и деталей рабочих органов СПС. Анализ зарубежного опыта подтверждает это, в частности, за рубежом более 30 % продолжительности предоставляемых окон используется непроизводительно. По данным компании GTRM в Великобритании при шестичасовом "окне" полезная продолжительность "окна" составляла 4 часа. При этом по мере старения машин возрастает частота их отказов. Обосновано, что без решения задачи продления срока полезного использования СПС средняя прогнозируемая оснащенность сети железных дорог на 2010 год СПС составит менее 30 %, а по некоторым типам СПС менее 5 %.

Разработана модель функционирования СПС в системе технического обслуживания железнодорожного пути. Для этого состояние СПС в системе технического обслуживания железнодорожного пути представлено в виде п-мерного фазового пространства, обобщающего все возможные флуктации этих состояний при выполнении путевых работ. На скорость изменения этого состояния оказывают влияние технические характеристики СПС, квалификация механиков, подготовленность участка, состояние пути на участке перед проведением ремонтных работ, принятая технология ремонтных работ и прочие характеристики процессов, возникающих при эксплуатации СПС, которые в общем виде описываются посредством функций в фазовом пространстве. Первичным фактором, определяющим эффективность работы СПС в системе ремонтов и техническом обслуживании железнодорожного пути, является физическое состояние машины. Параметры x, которые его характеризуют, представлены областью X в п-мерном пространстве. Отражением технического состояния СПС в системе технического обслуживания железнодорожного пути является качество их работы Э в виде функции от x, (), которая образует область А_. в m - мерном пространстве. Таким образом, состояние системы эксплуатации СПС в первом приближении описывается значениями переменных . При изменении состояния системы ему соответствует изменение траектории в фазовом пространстве . Для более полной характеристики учитываются функции, определяющие возможные области флуктуации состояний, в первую очередь, функцию надежности (вероятности безотказной работы). Для СПС рассматриваем только бинарные состояния, поэтому пределы изменения этой функции определяется как: . Тогда состояние системы эксплуатации СПС в системе технического обслуживания железнодорожного пути характеризуется как:

.

В процессе эксплуатации техническое состояние СПС находится под воздействием возмущающих факторов, направленных на его изменение (износ, старение и другие), а также управляющих факторов (восстановление состояния СПС при ее техническом обслуживании и ремонте). Совокупность этих воздействий, а также форм и методов их реализации обеспечивает эффективное управление состоянием СПС и их индивидуальным ресурсом.

Технология применения СПС в системе технического обслуживания железнодорожного пути определяется параметрами, а именно , где . В наиболее общем виде состояние СПС, находящейся в эксплуатации в каждый момент времени определяется фазовой точкой . На траекторию состояния воздействуем посредством управляющего параметра . Изменение величин U и X определяется как процесс, который составлен из управления U{t) и фазовой траектории X(t). Положение вектора, характеризующего состояние СПС, меняется под влиянием изменения условий эксплуатации. Цель управления состоянием СПС заключается в том, чтобы контролировать положение траектории вектора. При отсутствии резких возмущающих воздействий, например, трещина рамы как основного несущего элемента СПС, состояние изменяется монотонно, и траектория постепенно приблизится к гиперплоскости. В этот момент необходимо применить управление, которое предупредит попадание траектории вектора состояния в область отказов. Это управление (U₂) будет действовать в дискретные моменты времени , при этом, если вектор состояния окажется в области отказов, управление U₃ обеспечит интенсивное восстановление. Таким образом, в самом общем виде уравнение управления состоянием СПС в системе технического обслуживания железнодорожного пути представляется в виде суммы управлений:

,

где i, j - дискретные моменты применения управляющих воздействий, восстанавливающих состояние;- интервалы дискретизации.

Наиболее "слабое" место в конструкции железнодорожного пути, является балласт, который обеспечивает стабильное положение пути, распределяет нагрузку, снижает напряжение в земляном полотне и позволяет исправлять путь посредством выправки и подбивки. Особую важность имеет своевременное обеспечение в нужном месте нужного количества балласта и прочих материалов, элементов верхнего строения пути, что без хоппер-дозаторов и платформ осуществить практически невозможно.

Поэтому зарубежные производители путевой техники большое внимание уделяют созданию техники для укладки, замены и очистки балласта. Фирма Kershaw выпускает дозатор-распределитель балласта типа KBR-850, и его последующие модификации KBR-875, KBR900. Компания Plasser & Theurer специализируется на производстве более тяжелых машин с большим числом операций, объединенных в один комплекс и оборудованные компьютерной системой управления. Компания Herzog, производит балластный поезд, способный выгружать балласт при движении со скоростью до 32 км/ч. Работой поезда управляет один оператор, а разгрузка обеспечивается программируемой системой разгрузки. Компания NORDCO выпускает комбинированную машину типа М 2-14, которая сочетает функции дозатора-распределителя балласта и снегоочистителя. Компания Harsco Track Tecghnologies, выпускает комплекс Р 811, обеспечивающий механизацию работ по снятию и установке шпал, рельсовых скреплений и противоугонов. Машина Stoneblower, обеспечивает распределение балластного материала с контролем положения пути по горизонтали и вертикали. Подачу балласта регулирует компьютерная система управления. Компания Geismar-Modern Track Machinery выпускает компактные и легкие путевые машины на комбинированном железнодорожно-автомобильном ходу для точечного ремонта и замены на небольших участках пути. Компания Georgetown Rail Equipment (GREX) выпускает поезд для перевозки и выгрузки балластных материалов Dump Train, который может отсыпать до 1815 т/ч подбалластного и балластного материала с фракциями размером до 76 мм. Компания Miner выпускает приводы AggreGate для управления запорными устройствами разгрузочных люков при выгрузке балласта, которые не требуют подачи сжатого воздуха от локомотива. Группа Progress Rail Services предложила новый дозатор балласта Model 60. Балластораспределительная машина Stoneblower, используется только в Великобритании. При помощи струи сжатого воздуха машина нагнетает балласт непосредственно под шпалы, что гарантирует точность положения пути в пределах 1 мм. Компания Georgetown Rail Equipment (GREX) продолжает поставки самоходных платформ типа SPS. Компания Hytracker Manufacturing совместно с CN/IC создала машину для локальной подрезки балласта, которая работает в комплекте с экскаватором и приводится в движение от его силовой установки. Hytracker создала облегченный полувагон длиной 22,85 м, используемый совместно с кюветокопателем для доставки и распределения свежего балласта в места локальной вырезки загрязненного. Компания Vermeer Manufacturing занимается исследованиями в области повышения эффективности рабочих органов землеройных машин. Корпорация Railquip поставляет железным дорогам широкую номенклатуру механизированного ручного инструмента, подъемно-транспортного и контрольно-измерительного оборудования. Корпорация Matweld и компания FCI Racine Hydraulic выпускают ручной путевой инструмент с гидравлическим приводом, при этом в 2000 г. освоила инструмент трех новых типов: костыльный молот, шпалоподбойку и костыледер. В главе также проводится анализ организации ремонтов путевой техники за рубежом, и использования путеизмерительной техники при планировании работ по текущему содержанию пути.

Основой эффективного использования СПС в системе технического обслуживания железнодорожного пути является наличие информации о состоянии пути, поэтому во второй главе рассматриваются вопросы повышения информативности оценки состояния пути в системе технического обслуживания железнодорожного пути.

Проблема повышения информативности системы технического обслуживания железнодорожного пути пересекается с проблемами совершенствования системы оценки состояния пути, оценки надежности работы пути в различных условиях эксплуатации, автоматизации процесса оценки состояния пути, планирования путевых работ, формирования базы данных о надежной работе железнодорожного пути, в том числе и при создании АСУ путь. В этих направлениях известны работы Аккермана Г.Л., Ашпиза Е.С., Вериго М.Ф., Вершинского С.В., Грачевой Л.О., Грищенко В.А., Ершкова О.П., Ермакова В.М, Желнина Г.Г., Каменского В.Б., Когана А.Я., Крейниса З.Л., Левинзона М.А., Ромена Ю.С., Певзнера В.О., Филиппова В.М., Федулова В.Ф., Черкашина Ю.М., Башкатовой Л.В., Лысюка В.С., Зензинова Б.Н., Мишина В.В., Шац Э.Я. и др.

В главе разработана технологическая схема формирования и использования автоматизированной базы данных о работе железнодорожного пути в рамках решения задач АСУ - путь.

В основе информации о состоянии железнодорожного пути лежат показания вагона путеизмерителя. Рассмотрим показания вагона путеизмерителя в виде случайного процесса на контролируемом участке железнодорожного пути, а отступления от норм, обеспечивающих поддержание пути в работоспособном состоянии, будем считать выбросами этого процесса (рис. 1).

Рис. 1. Запись показаний вагона путеизмерителя как случайный процесс

Интегральные оценки Б участка пути, на котором этот случайный процесс записан по нескольким N последовательным проходам вагона путеизмерителя, представляем в виде временного ряда этих оценок. Тогда, используя основные положения теории временных рядов, определяем прогнозируемые оценки на последующие проходы вагона путеизмерителя.

Действительно, за N проходов вагона путеизмерителя по выбранному участку пути совокупность интегральных оценок Б_i представляется выборочной реализацией временного ряда N проходов вагона путеизмерителя. Модель процесса генерируется детерминированной функцией, полиномом порядка n:

,

где k - номер прохода вагона-путеизмерителя; б_{i -} постоянные коэффициенты, которые определяются из условия, что взвешенные интегральные оценки участка убывают по экспоненте соответственно количеству проходов вагона путеизмерителя.

Показано, что, начиная с n=3, разности (n-1) в среднем не равны 0, но среднее разностей n-го порядка пренебрежимо мало, что позволяет считать его нулевым. Следовательно, при формировании модели можно ограничиться полиномом второго порядка, с учетом случайной составляющей процесса т, характеризующей влияние на процесс различных факторов, в том числе и процесс выполнения между проходами вагона путеизмерителя ремонтных работ. Такой подход позволяет модели постоянно приспосабливаться к меняющимся условиям эксплуатации железнодорожного пути. Автокорреляционные функции временных рядов интегральных оценок и средних значений ординат неровностей по участкам 1 (на момент наблюдения наработка тоннажа 0) и участка 2 (наработка тоннажа 600 млн. т. брутто), приведенные на графиках рис. 2 показывают, что высокочастотная составляющая процесса изменения оценки состояния пути, вызванная влиянием случайной составляющей т в существенной мере зависит от погрешности интегральной оценки состояния участка пути, которая определяется ступенчатостью штрафной функции оценки.



Рис. 2. Автокорреляционная функция временных рядов интегральных оценок (1,2) и средних по участку ординат неровностей (3,4), в том числе выравненных (2,4) двух исследуемых участков пути

Поэтому бальная оценка участка пути для адекватной выработки управляющих воздействий на путь в системе технического обслуживания железнодорожного пути недостаточно информативна. Предлагается более информативная оценка состояния пути, основанная на использовании теории выбросов случайного процесса. На записи вагона путеизмерителя, как случайного процесса (см. рис. 1), по оси абсцисс откладываем протяженность пути L, а по оси ординат амплитуды неровностей рельсовой колеи А с пороговыми значениями С, определяемыми величинами отступлений от норм содержания рельсовой колеи. Поведение функции A (L), характеризующий состояние пути на участке {L₀, L₀ +L} относительно порогового уровня С, характеризуется числом положительных n⁺ (C, L) и отрицательных n^- (C, L) выбросов. Основываясь на доказательстве эквивалентности задач теории пересечении уровней, теории выбросов и теории случайных точечных процессов, выполненного Тихоновым В.И. и Хименко В.И., разработаны математические модели, позволяющие оценивать участок пути по числу отступлений от норм содержания рельсовой колеи и определять объемы предполагаемых работ, в частности по выправке пути, включая определение объема необходимого количества подсыпаемого балласта.

В момент пересечения A (L) порогового значения C значение производной

A¹ (L) Є [a¹, a¹ + ?a¹].

Вероятность P такого пересечения определяется вероятностью совместного выполнения условий:

A(L) Є [C- ?a/2; C + ?a/2]A¹ (L) Є [a¹, a¹ +?a^!]

и вычисляется как:

P{C-?a/2 ? a(l) ? C+?a/2; a¹ ? a(l) ? a¹ +?a^!} = W_aa(C, a¹,l) ?a ?a^!,

где W_AA(C, a¹,L) - совместная плотность вероятности для A(L) и A¹(L) в одной и той же точке пути. Процесс А(L) пространстве считаем дифференцируемым и находим число пересечений N(C,L) заданного уровня С соответствующего значению отступлений от норм содержания рельсовой колеи случайного процесса A(L), характеризующего состояние железнодорожного пути по данным вагона путеизмерителя как:

.

Длительность выброса представляем как

?L_v =L_i+1-L_i,

тогда среднюю длительность пребывания траектории A(L) над уровнем С, как L ⁺(C) вычисляется как:

,

где W_A(a,L)-одномерная плотность вероятности Р с функцией распределения F_A(a,L).

Процесс записи состояния пути А(L) стационарный и эргодичный, поэтому средняя длительность выброса над фиксированным уровнем С можно вычислить как:

,

а средний интервал между выбросами над уровнем С как:

.

Таким образом, определяется количество отступлений от норм содержания рельсовой колеи с разбивкой по степеням и протяженность выброса, что дает возможность оценивания объемов работ по текущему содержанию пути. Однако есть показатели, характеризующие состояние пути, которые трудно оценить по записи путеизмерителя без включения в его измерительную систему новых устройств. В связи с этим на уровне изобретений были разработаны устройства для контроля: величины стыкового зазора в рельсовой плети железнодорожного пути; состояния пути посредством контроля взаимного расположения автосцепок; исправности колесной пары в составе движущегося поезда; механически напряженных участков рельсов; угона рельсов и др.

Проведенные исследования, обеспечивающие повышение информативности оценки состояния пути, являются необходимым условием совершенствования технологий путевых работ и в целом системы технического обслуживания пути, но недостаточным условием. Требуется создать новые технические средства, позволяющие изменить технологию путевых работ. Однако прежде, с целью недопущения снижения объема путевых работ по причине выбытия из эксплуатации специального подвижного состава хозяйства пути с просроченным сроком службы, необходимо продлить срок полезного использования эксплуатируемого на дорогах СПС.

В третьей главе разрабатывается система продления срока полезного использования СПС хозяйства пути.

Необходимость решения проблемы управления индивидуальным ресурсом СПС хозяйства пути с целью продления срока полезной эксплуатации возникла в девяностые годы прошлого века одновременно с необходимостью решения аналогичной проблемы в вагонном хозяйстве. В этой области известны работы Бараненко Ю.П., Битюцкого А. В, Кельриха М.Б., Кочнова А.Д., Савоськина А.В., Сергеева К.А., Соколова М.М., Третьякова А.В., Черкашина Ю.М. и других исследователей. С учетом специфики эксплуатации СПС в системе технического обслуживания железнодорожного пути, отличающейся от условий эксплуатации грузовых вагонов при перевозке грузов разработана система продления срока полезного использования, которая получила практическое внедрение в виде Правил и порядка продления СПС хозяйства пути, утвержденных МПС РФ, а впоследствии ряда руководящих документов ОАО "РЖД". Технология работ по продлению срока полезного использования СПС представлена в виде алгоритма на рис. 3.

Рис. 3. Алгоритм технологии продления срока полезного использования СПС хозяйства пути

Работы по продлению срока полезного использования СПС состоят из двух основных этапов. Первый этап, предварительное принятие решения о целесообразности продления срока конкретному типу СПС, которое проводится экспертами на основе анализа проектно-конструкторской и эксплуатационной документации, условий эксплуатации, общесетевой оценке надежности работы данного типа СПС, его морального и физического износа. При положительном решении по первому этапу, на втором этапе обосновываются критерии предельного состояния основных узлов и деталей СПС, разрабатываются методики диагностирования СПС, проводится диагностика каждой единицы СПС, выборочные испытания образцов на остаточный ресурс, а также разрабатывается проектно-конструкторская документация на капитально-восстановительный (капитальный с продлением срока полезного использования) ремонт, после которого срок службы СПС продлевается. путеизмеритель железнодорожное техническое обслуживание

В результате проведенных исследований обоснованы основные причины появления предельного состояния СПС, выраженные в виде отказов в их работе: резкие нерасчетные перегрузки; постепенное накопление в узлах и деталях СПС рассеянных повреждений, приводящих к зарождению и развитию макроскопических трещин; чрезмерный износ трущихся деталей и поверхностей, находящихся в контакте с рабочей средой; природные воздействия; неподдающиеся контролю грубые ошибки при эксплуатации. Отказы разбивались на группы. Первая, отказы, не приводящие к длительным и опасным перебоям в работе СПС, в частности у хоппер-дозаторов модели ЦНИИ ДВЗ и 55-76: износ ударной розетки, вмятина на кузове, изгиб верхней обвязки кузова и т.п., которые устраняются при техническом обслуживании или плановом ремонте. Вторая, предельные состояния основных элементов, которые лимитируют ресурс СПС в целом и прямым образом влияют на безопасность эксплуатации. К ним относятся необратимые повреждения, вызывающие рост трещин как механического происхождения (усталость, изнашивание), так физико-химического происхождения (коррозия). В главе разработаны критерии предельного состояния основных несущих элементов и узлов СПС и составлены характеристики предельного состояния основной номенклатуры СПС. Неработоспособное состояние СПС характеризуется наличием неисправностей, угрожающих безопасности движения. В частности, трещины и разрывы хребтовой балки, уменьшение площади их поперечного сечения из чрезмерной коррозии, вертикальные изгибы одной из продольных балок более чем на 200 мм, прочие дефекты узлов СПС, предельное состояние которых может вызвать закрытие перегона.

Задачи разработать модели, позволяющие описать процесс развития повреждений, не ставилось, ибо цель методик диагностирования - оценка остаточного ресурса основных узлов СПС для определения возможности или невозможности дальнейшей эксплуатации СПС. Процесс развития повреждений СПС рассматривался в рамках полуэмпирической теории, связывающей скорость накопления повреждений с действующими нагрузками и условиями окружающей среды. Повреждения, накопленные в узлах машины, описываются скалярной функцией времени на отрезке времени [0, Т], при этом значение отвечает неповрежденному узлу, - полностью поврежденному узлу. Поскольку имеются технологические дефекты изготовления для начального состояния, принимаем

,

где .

Введем допущения, первое: трещина представляется в виде математического разреза в однородной сплошной среде, а среда линейно упругая до разрушения. На основе известной теории роста усталостных трещин Болотина В.В., принимаем, что размер трещины непрерывно дифференцируемая функция, приращение размера трещины по сравнению с большим числом циклов нагружения СПС мало. В этом случае используется правило линейного суммирования усталостных повреждений. Из допущения, что полностью характеризует уровень повреждений СПС в каждый момент времени, изменение во времени, при непрерывном времени имеет вид:

,

где - функция меры повреждений и вектора нагрузок q (t). Процесс q (t) включает силовые, деформационные, температурные, химические и другие воздействия, влияющие на выработку ресурса. Так как при эксплуатации путевых машин материал испытывает переменные нагрузки в случае дискретного процесса нагружения при разных напряжениях в разных интервалах времени, по правилу линейного суммирования повреждений:

где - число циклов с амплитудой ; - число циклов до разрушения при нагружении случайной амплитудой .

Учитывая особый объект исследований - специальный подвижной состав, требующий соблюдения требований повышенной безопасности, характеристики и критерии трещиностойкости с установлением безопасных размеров трещин и трещиноподобных дефектов не вводятся. Рассматриваем только линейную механику разрушения.

Второе допущение: два случайных события, распределение нагрузки и прочности конструкции описываются нормальным законом распределения и происходят совместно. Это допущение дает возможность наложения площадей, ограниченных кривыми рассеяния нагрузки и прочности, при этом область наложения площадей кривых соответствует вероятности отказа. Условием продолжения эксплуатации СПС является выполнение условия, что математическое ожидание прочности превышает математическое ожидание нагрузки.

Совокупность результатов оценок текущего состояния узлов СПС, контролируемое на основании косвенных измерений в момент наработки T есть диагностический вектор W, то есть, имеем множество:

W(T_k) = (w₁ w₂ w_k).

Эксплуатационная надежность СПС соответствует:

Q (t) < q _н, где t ([0, Т _н],

где q _н - предельно допустимая интенсивность отказов, соответствующая назначенному сроку службы Т_н, в диапазоне которого СПС считаем работоспособной. Для каждой группы деталей и узлов определяем q_1н, q_2н,q_3н …… и Т _1н, Т _2н, Т _3н …….

Несмотря на то, что периодичность ремонтов путевой техники с точки зрения теории случайных процессов величина постоянная, межремонтный ресурс СПС хозяйства пути, тем не менее величина случайная, поскольку разброс показателей долговечности СПС определяется двумя факторами: разбросом показателей долговечности отдельных ее узлов и разбросом показателей долговечности одного и того же узла, но установленного на разных СПС. Для принятия решения о целесообразности проведения работ по продления срока полезного использования СПС в системе технического обслуживания железнодорожного пути рассчитывается прогнозируемый ресурс. В целом принимается, наработка на отказ СПС есть случайная функция во времени, которая согласуется с заданной периодичностью ремонтов СПС, а условия эксплуатации СПС в системе технического обслуживания железнодорожного пути относительно однородны, стационарны и поддаются воспроизведению. Для продления срока полезной эксплуатации СПС определяется вероятность Р_р(t) того, что предельное состояние основных несущих элементов, не будет достигнуто на некотором отрезке [0, Т]. Прогнозируемый ресурс Т случайная величина с функцией распределения F (Т) и плотностью вероятности Р(Т), тогда фактический ресурс машины Т_ф будет:

Т_ф = Т_н / (1- v j)_,

где j-односторонний квантиль нормального распределения для выбранной доверительной вероятности Р, v - коэффициент вариации ресурса.

Это наиболее простая модель прогноза, для которой был принят закон распределения наработки на отказ как нормальный закон распределения. Прогнозируемый ресурс СПС рассчитывался при Р= 0,95, j - 1,645 и v = 0,15. Строго говоря, проведенная в результате исследования систематизация видов воздействия причин появления неисправностей и отказов узлов и деталей СПС в условиях их эксплуатации пути и на ее основе оценка функции распределения наработки до отказа не подтвердила нормальный закон распределения. Поэтому модель прогнозирования остаточного ресурса, основанная на принятом допущении о нормальном законе распределения наработки на отказ, может служить для оценки показателей, необходимых при формировании плана работ по продлению срока полезной эксплуатации СПС хозяйства пути. Для более точного прогноза остаточного ресурса СПС предлагаются другие методы. В частности, хорошую сходимость дает метод, основанный на выборе аналога СПС, показатели наработки на отказ аналога, подтверждены достоверной статистикой. Достоинство этого метода, успешно применяемого при прогнозировании остаточного ресурса грузовых вагонов в простоте использования. Принимается, что ресурс аналога Т_ф^а равен ресурсу исследуемой СПС Т_ф ^и. В отличие от грузовых вагонов для СПС в системе технического обслуживания железнодорожного пути интенсивность эксплуатации Q определяется двумя показателями: выработка машины и ее пробег. Очевидно, что для хоппер-дозаторов, думпкаров, платформ основное влияние на интенсивность эксплуатации оказывает пробег, а для прочих путевых машин выработка, однако при определении значения Q учитываются оба показателя, но с разными весами. При такой методике прогнозное значение ресурса СПС определяется из решения системы уравнений:

Т_ф ^а = Q ^а Т_н ^а и Т_ф ^и = Q ^и Т_р ^и,

где Т_н^а и Т_р^и назначенный ресурс, соответственно аналога и исследуемой СПС.

Результаты расчетов прогнозируемого ресурса сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Сравнительные характеристики назначенного и прогнозируемого ресурсов СПС

Тип СПС, используемой в системе технического обслуживания железнодорожного пути	Ресурс СПС в годах
	Назначенный	Прогнозируемый
Платформы для перевозки ВСП и засорителей	32	42
Хоппер-дозатор типа ЦНИИ ДВЗ Рельсошлифовальные поезда типа РШП-48, РШП-16	25	33
Думпкары	22	29
Путевой струг, Снегоочиститель плужный типа СДПМ, Мотовоз типа МПТ-4, МПТ-6, Автомотриса грузовая с манипулятором типа АГД Автомотриса служебная типа АС	20	27
Моторные платформы Укладочные краны типа УК 25/9-18, УК 25СП Электробалластер типа ЭЛБ Моторный гайковерт типа ПМГ Выправочно-подбивочно-рихтовочные машины (Дуоматик, ВПР-02, Унимат, ВПРС-03 и т.п.) Динамический стабилизатор типа ДСП Планировщик балласта типа РБ, ПБ Кусторез типа СП-93 Поезд снегоуборочный типа СМ Универсальный тяговый модуль	15	20
Путеремонтная летучка на базе автомобиля Машина для нарезки и очистки кюветов Машины для глубокой очистки балласта на пути и стрелочных переводах	10	13

В процессе исследований подтверждена медленная сходимость эмпирической зависимости интенсивности отказов к истинной интенсивности отказов СПС по причине того, что эксплуатация СПС в системе технического обслуживания железнодорожного пути осуществляется в условиях неопределенной априорной информации, вызванной большим количеством ограничений: различных климатических и географических условий, квалификации персонала, состояния железнодорожного пути, большого количества заменяемых в процессе эксплуатации деталей и узлов, сложности ремонта СПС, несоблюдением межремонтных сроков и т.п. Поэтому в главе обосновывается целесообразность применения непараметрического оценивания показателей надежности СПС, позволяющего при неизвестном виде закона распределения наработки до отказа получать непосредственную оценку показателей надежности СПС по выборочным данным о наработках СПС. Данные о наработках на отказ предлагается получать при проведении обследования, параметры распределений не вычисляем, а количественные показатели надежности СПС получаем из качественных описаний технического состояния СПС в системе технического обслуживания железнодорожного пути. При формировании выборки наработки на отказ из рассмотрения исключались события, которые являются нехарактерными для большинства случившихся отказов. Для каждого типа СПС на основе проведенной классификации отказов и предельных состояний были разработаны карты обследования технического состояния СПС, правила их заполнения, требования к средствам диагностики и методы проведения обследования, положенные в основу разработанных методик технического диагностирования СПС, утвержденных в МПС РФ и ОАО "РЖД". В методиках определен перечень основных узлов и деталей, подлежащих диагностированию (рамы, фермы, ходовых тележек, грузоподъемных механизмов), виды и способы заполнения дефектных ведомостей и карт осмотра, перечень необходимого диагностического оборудования, а также объем выборки для предварительных испытаний выбранных образцов СПС на остаточный ресурс, методики проведения испытаний на остаточный ресурс и т.п. Определяемый срок службы СПС при проведении ресурсных испытаний вычисляется по сумме накопления повреждений в расчетной сумме накопленных повреждений за один год. Поскольку наиболее узким местом при проведении работ при ремонте железнодорожного пути является проблема выгрузки и доставки балласта, осуществляемая хоппер-дозаторами моделей ЦНИИ ДВЗ, ЦНИИ ДВЗ М и 55-76 производство которых прекратилось в девяностых годах прошлого века, наибольший объем обследованных СПС пришелся на хоппер-дозаторы.

На дорогах сети ОАО "РЖД" находится в эксплуатации более 10 тысяч хоппер-дозаторов, при этом, как показал анализ, проведенный в первой главе, 80 % из них выработали нормативный срок службы. Обследования, проводившиеся по разработанным методикам. Результаты обследования СПС в системе технического обслуживания железнодорожного пути, проведенные по всем дорогам сети, систематизированы и определена структура отказов основных несущих узлов СПС. В частности, отказы в работе хоппер-дозаторов, распределяются следующим образом: 55 % дефекты, появившиеся из-за ошибок в эксплуатации при погрузки и выгрузки балласта (в основном дефекты кузова, бункера и разгрузочно-дозирующих устройств), 20 % развитие трещин в хребтовой и шкворневой балках или местах их соединений, 15 % чрезмерная коррозия основных узлов и деталей, 4 % усталостные повреждения металла (ползучесть, текучесть)и 6 % прочие отказы, как правило, связанные со скрытыми дефектами изготовления. Для каждой группы отказов определялась интенсивность отказов в зависимости от срока службы с учетом периодичности планово-предупредительных ремонтов и зависимость вероятности достижения предельного состояния от календарной продолжительности службы. Вероятность достижения предельного состояния СПС на в зависимости от календарного срока его службы примере хоппер-дозатора показана на рис. 4.

Рис. 4. Вероятность достижения предельного состояния СПС хозяйства пути в зависимости от срока его службы

В процессе проведения обследования из расчета один хоппер-дозатор на 20-40 штук отбирались хоппер-дозаторы постройки с 1960 по 1973 годы, которым проводились испытания на остаточный ресурс по разработанным методикам. В процессе испытаний выявлены незначительные дефекты, не влияющие на появление предельных состояний, к числу наиболее часто встречающихся относятся, развитие изгиба косынок шкворневых стоек на 5-10 мм, увеличение вмятины ударной розетки на 1-2 мм и прочие, при этом напряжения в режиме соударения при нагружения хоппер-дозатора во всех точках, определяемых методикой, были ниже допускаемых.

Кроме хоппер-дозаторов обследованию подвергались также думпкары, снегоуборочные машины, дрезины ДГКу, автомотрисы, платформы. В целом процент выбракованных СПС незначителен и составляет не более 5 %, остальным возможно продление срока полезного использования. Таким образом, подтверждена целесообразность проведения работ по продлению срока полезного использования СПС. Обоснована возможность разработки технических требований на капитально-восстановительный (капитальный с продлением срока полезного использования) СПС. На основании проведенной классификации дефектов, выбраны основные узлы, неработоспособное состояние которых угрожает безопасной эксплуатации СПС и разработаны технические требования на усиление базовых элементов и узлов СПС. На основе этих требований разработана проектно-конструкторская документация на капитально-восстановительный (капитальный ремонт с продлением срока полезного использования) специального подвижного состава хозяйства пути, в частности, хоппер-дозаторов, думпкаров, платформ, используемых в хозяйстве пути, а также ДГКу, СМ и т.д. (в дальнейшем КВР). Проекты внедрены на ремонтных предприятиях МПС РФ, впоследствии ОАО "РЖД",

Оценка экономической эффективности целесообразности проведения работ по модернизации СПС хозяйства пути с целью продления сроков полезного использования осуществлялась в соответствии с Методическими рекомендациями по оценке эффективности инвестиционных проектов, утвержденными Минэкономоразвиития, Минфином и Госстроем России 21.06.1999 г. за № ВК 477. Рассматривалось два варианта пополнения парка СПС: первый, при котором существующий тип СПС с истекшим сроком службы списывается, а взамен приобретается новый, второй, по которому СПС проводится модернизация и срок полезного использования продлевается на 10 лет. Оценка предстоящих результатов осуществлялась в пределах расчетного периода, продолжительность которого принималась равной нормативному сроку службы СПС (см. табл.2). Поскольку основным показателем оценки общей экономической эффективности мероприятий на железнодорожном транспорте является дисконтированный доход, то приведение разновременных результатов и затрат к начальному моменту времени осуществлялось с помощью коэффициентов приведения при норме дисконта, рекомендуемой для железнодорожного транспорта, а именно- 0,1. Интегральный эффект определялся как сумма эффектов за весь расчетный период, приведенный к начальному шагу или как превышение интегральных результатов над интегральными затратами. В частности, для хоппер-дозаторов, расчеты показали экономическую целесообразность проведения их модернизации без принципиального изменения конструктивных особенностей, в основном за счет усиления базовых узлов хоппер-дозатора. В этом случае разность приведенных расходов с учетом дисконтирования составила более чем плюс 20 % от стоимости нового СПС. Однако разность приведенных расходов с учетом дисконтирования между вариантом проведения модернизации с изменением конструкции СПС и наделению ее новыми функциональными возможностями и изготовлением нового СПС с теми же функциональными возможностями составила минус 15 % от стоимости нового, что подтверждает целесообразность разработки новых СПС с расширенными функциональными возможностями.

...