Возможности ретроспективного анализа параметров рельсовой колеи
В февральском номере журнала «Путь и путевое хозяйство» №2, 2025 вышла статья «Возможности ретроспективного анализа параметров рельсовой колеи», авторов Атапина В.В., Приволжский государственный университет путей сообщения (ПривГУПС), канд. техн. наук, Нечушкина А.С., ПривГУПС, аспирант.
Пассажирские и особенно грузовые перевозки стремительно развиваются, при этом растут нагрузки на железнодорожный путь и искусственные сооружения. В связи с этим элементы верхнего и нижнего строения пути подвержены сильному износу, что приводит к их деградации, появлению нежелательных отступлений и дефектов.
Оценка параметров геометрии рельсовой колеи, степени отступления их от номинальных значений, периодичность и порядок контроля главных и станционных путей осуществляется согласно Инструкции [1].
Для ретроспективного анализа деградации рельсовой колеи была выбрана дистанция пути, где рассмотрена частота развития отступлений II, III и IV степеней, входящих в качественную и количественную оценку колеи [2, 3]. На рисунке представлен график изменения основных геометрических параметров на 1 км пути по месяцам за 2018–2021 гг. Деградационные процессы в целом по дистанции пути происходят из-за роста пропущенного тоннажа, влияния природно-климатических факторов, подвижного состава и сезонных изменений. На графике отчетливо видны ежегодно появляющиеся характерные изменения, связанные с ростом отступлений в весенне-летний период [4].
Однако задачи путевого комплекса требуют более детального анализа состояния отдельных локальных участков пути для рационального планирования ресурсов, а также возможности прогнозирования изменения их состояния на ближайшую и среднесрочную перспективу [5].
В табл. 1 представлена тепловая карта накопления отступлений по основным геометрическим параметрам рельсовой колеи за шестилетний период эксплуатации одного из участков длиной 16 км. Тепловая карта представляет собой графическое отображение данных (отступлений) при помощи цвета в зависимости от заданных уровней оценки и степени риска.
В табл. 1 наблюдается рост отступлений в весенне-летний период, а заметный спад — в осенне-зимний [6]. Данную зависимость можно объяснить температурными изменениями, которые происходят в рельсовой колее, оттаиванием балласта и земляного полотна. Поэтому в весенне-летний период необходимо детально обследовать путь и планировать объемы основных работ по устранению неисправностей, замене элементов верхнего и нижнего строения пути. Задачей осенне-зимнего периода является сохранение и поддержание проектного положения рельсовой колеи.
Для более детального анализа изменения рельсовой колеи авторами разработаны и представлены тепловые карты по каждому виду отступлений на рассматриваемом участке.
Отступления параметра «Ширина колеи (шаблон)» характеризуют расстояние (расположение) между внутренними рабочими гранями головок рельсовых нитей. Данный параметр обладает двумя видами отступлений: «Уширение» и «Сужение».
В табл. 2. представлена тепловая карта накопления отступлений по параметру «Уширение» за 2018– 2021 гг., на которой можно проследить развитие отступлений на километрах № 1, 2, 3, 4, 5, 11, 13, 14. Пиковое значение приходится на километр №3 и достигает 32 отступлений, однако после достижения данного значения наблюдается существенный спад до 13 шт/км, что в свою очередь может говорить о проведении мероприятий по устранению неисправностей данного вида.
Аналогичная тепловая карта составлена для рассматриваемого участка по параметру «Сужение», на которой путь практически не имеет отступлений, а их пик (16 шт/км) зафиксирован на километре №1 в сентябре 2018 г.
При оценке рельсовой колеи в горизонтальной плоскости (в плане) особый интерес представляет контроль отступлений по параметру «Рихтовка» при длине неровности пути до 20 м включительно и более 20 м до 40 м. С введением новой инструкции [1] учитывают изменения положения пути в плане для скоростных и высокоскоростных линий, где установленные скорости движения поездов более 140 км/ч, и дополнительно определяют отступления в плане длиной до 60 м.
Более того, оценке подлежат наружные нити круговых и переходных кривых, а в прямых участках — рихтовочные нити, однако отступления IV степени в прямой измеряют по обеим нитям.
На стрелочном переводе отклонения фиксируют по нити без крестовины, а по боковому пути — по обеим нитям при R < 1000 м.
Таким образом, с учетом всех возможных факторов отступления по параметру «Рихтовка» оценивать сложнее.
При первоначальном анализе тепловой карты накопления отступлений по параметру «Рихтовка» без дифференциации по указанным выше факторам было отмечено, что наибольшее количество отклонений наблюдалось в июне 2017 г. на километре №14 и составляло 12 шт. Благодаря выправочным работам, их число уменьшилось до 3 шт., что подтвердили данные автоматизированной системы дистанции пути. На остальных участках количество отступлений не превысило 6 шт/км.
Отступления по параметрам «Уровень», «Перекос» и «Просадка» в существенной мере характеризуют изменения, которые свойственны нижнему строению пути и происходящим в нем процессам. Оно воспринимает большие нагрузки, передающиеся от колес подвижного состава на рельсы, промежуточные рельсовые скрепления, шпалы, балластный слой, вследствие чего возникают повышенные напряжения, что дополнительно усугубляется влиянием природно-климатических факторов. Деградация нижнего строения пути возникает по причине развития дефектов, таких как пучины и весенние просадки, оползания и сплывы откосов, оседания, выпирания, обвалы и др.
На развитие отступлений «Уровень», «Перекос» и «Просадка» влияет также состояние шпал, их дефектность и кусты негодных шпал.
Проведенный анализ тепловых карт по параметрам «Уровень», «Перекос» и «Просадка» показал следующие пиковые значения отступлений:
- по параметру «Уровень» на километрах №7, 14, 15, 16 — 7 шт/км;
- по параметру «Перекос» на километре №2 — 14 шт/км, а также на километре №14 — 16 шт/км;
- по параметру «Просадка» на километре №2 — 20 шт/км, а также на километре №14 — 30 шт/км.
На километре № 2 максимальное количество отступлений отмечалось в 2016 г. в весенне-летний период, тогда как на километре № 14 — в мае-июле. Далее на обоих этих километрах путь привели в стабильное состояние и количество отступлений существенно сократилось.
Однако на сокращение отступлений потребовалось почти 12 мес., что говорит о нестабильном состоянии колеи или проблемах, которые связаны с содержанием нижнего строения пути.
Состояние геометрии рельсовой колеи на других километрах также имеет максимальное значение отступлений в весенне-летний период. Наибольшее ухудшение было отмечено на километрах № 2 и 14, где преобладали отступления по параметрам «Уровень», «Перекос» и «Просадка», о чем свидетельствовала общая тепловая карта накопления отступлений всех параметров геометрии рельсовой колеи на километрах № 1–16.
Заключение
Развитие современных средств диагностики и использование полученных ими данных позволяют создавать методы предиктивной аналитики для определения деградации рельсовой колеи и предотказного состояния пути. Решить данную задачу позволяют тепловые карты накопления изменений пути. На их основе можно наглядно и с высокой степенью достоверности построить деградационные модели фактического состояния пути не только по результатам одной проверки, но и во времени. Определение функциональных зависимостей данных моделей и учет различных технических показателей пути — первоочередная задача авторов в этой работе.
Не менее важным является создание алгоритма прогнозирования изменения состояния геометрии рельсовой колеи, который позволит учитывать эксплуатационные показатели [7, 8, 9].
На начальном этапе предлагается определить эксплуатационный ресурс рассматриваемого элемента или параметра рельсовой колеи за период эксплуатации t по следующей формуле:
где Ωi — фактический ресурс рассматриваемого элемента или параметра рельсовой колеи, выраженный в количестве отступлений за одну проверку;
ti — период времени от момента первоначальной укладки пути до исчерпания ресурса.
Прогнозный период времени от первоначальной укладки пути до момента, когда фактическая величина его ресурса перейдет в предотказное состояние, вычисляют следующим образом:
где τti — прогнозное значение эксплуатационного ресурса элемента или параметра рельсовой колеи по какому-либо отказу.
Значение τti предполагается вычислять на основе полученных статистических данных о состоянии геометрии рельсовой колеи и математического моделирования, а также лабораторных исследований.
При статистическом анализе фактических отказов период времени должен определяться на основании данных о пропущенном тоннаже, а также учете типов обращающихся подвижных единиц, осевых нагрузок и грузонапряженности по следующей формуле:
где Ti – тоннаж, пропущенный по рассматриваемому участку до момента появления отказа или неисправности;
Pi –средняя осевая нагрузка на рассматриваемом участке.
В дальнейшем по накопленным тепловым картам, отражающим изменения состояния геометрии рельсовой колеи, будут построены деградационные модели и в первом приближении выполнен расчет эксплуатационного ресурса каждого из геометрических параметров [10].
Список источников
1. Инструкция по оценке состояния рельсовой колеи путеизмерительными средствами и мерам по обеспечению безопасности движения поездов: утв. Распоряжением ОАО «РЖД» от 28.02.2020 №436/р (в ред. от 01.04.2021).
2. Нечушкин А.С., Атапин В.В. Ретроспективный анализ деградации рельсовой колеи // Вестник транспорта Поволжья. 2023. 1 5 (101). С. 45–54. EDN: QJFSZD.
3. Бельтюков В.П. Стратегия технического обслуживания и ремонтов железнодорожного пути // Инновационные методы управления техническим обслуживанием железнодорожного пути: сборник трудов научно-практического семинара. СПб.: ПГÓПС, 2022. С. 5–12. EDN: XIQZSK.
4. Атапин В.В., Нечушкин А.С. Исследование деградационных процессов геометрии рельсовой колеи — путь к прогнозированию состояния верхнего строения пути // Вестник транспорта Поволжья. 2022. 1 2 (92). С. 31–37. EDN: JFFGMY.
5. Бельтюков В.П., Симонюк И.А., Андреев А.В. Оптимизация среднесрочного планирования ремонтов железнодорожного пути // Железнодорожный транспорт. 2013. 1 9. С. 47–50. EDN: RBWDDN.
6. Атапин В.В., Нечушкин А.С. Анализ состояния геометрии рельсовой колеи в зависимости от времени года // Наука и образование транспорту. 2022. 1 2. С. 156–158. EDN: OYGBPI.
7. Прогнозирование и оптимизация затрат — основа планирования ремонтов / В.П. Бельтюков, И.А. Симонюк, А.В. Андреев, А.В. Сенникова // Путь и путевое хозяйство. 2014. 1 2. С. 16–20. EDN: RZPPVL.
8. Атапин В.В., Нечушкин А.С. Обеспечение безопасности движения поездов с применением ретроспективного анализа состояния геометрии рельсовой колеи // Проблемы безопасности на транспорте: материалы XII Международной научно-практической конференции, посвященной 160-летию Белорусской железной дороги. Часть 1. Гомель: Белорусский государственный университет транспорта, 2022. С. 300–302. EDN: WEKGEE.
9. Бельтюков В.П. Принципы прогнозирования изменения технического состояния железнодорожного пути // Инфраструктура транспорта. 2022. 1 1 (3). С. 65–78. EDN: OESAOX.
10. Суслов О.А. Цифровые двойники – как основа принятия решений на железнодорожном транспорте // Материалы первой международной научно-технической конференции «Железнодорожный подвижной состав: проблемы, решения, перспективы». Ташкент: Ташкентский государственный транспортный университет (ТГТрУ), 2022. С. 145–152. EDN: RLXDCU.