Надежность железнодорожного пути
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ПУТЬ представляет собой сложную конструкцию, состоящую из разнородных материалов, работающую в условиях динамического взаимодействия с подвижным составом в различных природных и климатических условиях. В процессе эксплуатации под влиянием силовых воздействий подвижного состава, изменения температуры, влажности и т. п. происходит изнашивание, старение, накапливаются остаточные деформации. В результате этого появляются повреждения, дефекты, отказы, которые, несмотря на достаточные запасы прочности, могут приводить к необходимости снижения скоростей движения или полному прекращению движения поездов на период приведения пути в работоспособное состояние.
Общие сведения
В частности, в рельсах и подкладках появляются пластические деформации, усталостные повреждения, происходит износ, загнивают деревянные шпалы, образуются трещины, сколы, обнажается арматура в железобетонных шпалах, балластный слой загрязняется и теряет дренирующие свойства, в резиновых и пластмассовых деталях происходит старение материалов, резьбовые соединения подвергаются коррозии, опасные дефекты появляются в стрелочных переводах, под влиянием природных факторов теряют несущие способности грунты земляного полотна.
Путь может перейти в предельное состояние, оставаясь работоспособным, если его дальнейшее применение недопустимо по требованиям безопасности и экономичности. Для этого устанавливают назначенный ресурс. Может иметь место деградационный отказ, обусловленный естественными процессами старения, изнашивания, коррозии, усталости.
Ремонтопригодность заключается в приспособленности ж.-д. пути и его элементов к проведению работ по обслуживанию и ремонту. Система технического обслуживания и ремонта пути включает проведение капитального, среднего, подъемочного ремонтов и текущее содержание. Капитальный ремонт пути предусматривает полное восстановление ресурса со сплошной заменой рельсов, шпал, очистку балластного слоя, исправление плана и профиля пути. Средний ремонт предусматривает частичное восстановление ресурса в части, зависящей от балластного слоя. Подъемочный ремонт предусматривает основную работу — очистку или замену балластного слоя; его производят для сплошной выправки пути в плане и профиле для восстановления работоспособного состояния. Текущее содержание, или планово-предупредительные работы, выполняют в межремонтный период в целях предупреждения и ликвидации отказов отдельных элементов пути.
Отдельные элементы ж.-д. пути имеют разные показатели надежности. Путь является многоэлементным, ремонтируемым, восстанавливаемым объектом. По основному несущему элементу (рельсам) путь — не резервируемый объект. По данным ВНИИЖТ, из общего числа полных отказов, в результате которых требовался для восстановления работоспособности перерыв в движении поездов, более 95 % составляют одиночные отказы рельсов. Особенно опасны отказы так называемых остродефектных рельсов, имеющих повреждения в виде трещин, выколов, изломов, большой коррозии и требующие при их обнаружении немедленной замены рельсов. Большую роль в образовании дефектов в рельсах имеют усталостные и, в частности, контактно-усталостные процессы. При этом определяют срок службы рельсов по износу или интенсивности одиночного выхода их по дефектам.
Срок службы рельсов по износу
Срок службы рельсов по износу в пропущенном тоннаже, млн. т брутто, равен
βо - базовое значение коэффициента интенсивности износа; Кi - коэффициенты, учитывающие влияние на интенсивность износа рельсов таких факторов, как химический состав стали, термообработка, конструкция пути, план, профиль и др.
По износу расчетный ресурс рельсов различных типов между капитальными ремонтами составляет от 350 до 800 млн. т брутто. Интенсивность одиночного выхода рельсов шт./км за срок прохода тоннажа T определяется по формуле:
где q - погонная масса рельса; А - 0,85; Тг - проходящий за год тоннаж; Рд - средневзвешенная по тоннажу динамическая нагрузка на ось; γi - коэффициент, учитывающий факторы, влияющие на одиночный выход рельсов (кривизна пути, качество металла, лубрикация и др.). По условиям безопасности движения поездов требуется сплошная смена рельсов, если ежегодный одиночный выход рельсов достигает 4-6 шт. на 1 км пути. По этому показателю «критический» тоннаж, соответствующий началу интенсивного выхода рельсов из строя, составляет 200-400 млн. т брутто.
Железобетонные шпалы с повреждениями разделяют на негодные, требующие замены, и дефектные, подлежащие ремонту. Негодными считаются шпалы с поперечными изломами, при сколах бетона на подрельсовых площадках, при разрывах арматуры и др. Ресурс работы таких шпал 800—1200 млн т брутто при одиночном выходе около 0,3 %. Деревянные шпалы приходят в неработоспособное состояние после подтески подрельсовых площадок, при гниении, при сквозных трещинах, поперечных изломах. Средний срок службы шпал на дорогах МПС составляет 16-20 лет.
Рельсовые скрепления при износе и старении прокладок, изломах прокладок, коррозии и ослаблении резьбовых соединений не обеспечивают стабильности ширины колеи, ухудшается динамика взаимодействия пути и подвижного состава. Предельные значения размеров колеи могут угрожать безопасности движения. При сплошной смене рельсов, исчерпавших ресурс, около 50 % рельсовых скреплений может быть использовано для дальнейшей сборки рельсошпальной решетки.
Балластный слой
Балластный слой, загрязняясь, теряет свои упругие и дренирующие свойства, происходит переувлажнение верхней части земляного полотна. Рельсошпальная решетка становится нестабильной, появляются просадки, перекосы, выплески, в целом путь приходит в предельное состояние, исчерпав межремонтный ресурс, и требуется проводить средний или подьемочный ремонт. Для восстановления дренирующих свойств балласта его заменяют или зачищают.
Стрелочные переводы являются одной из сложных и ответственных частей верхнего строения пути. Значительная часть сходов подвижного состава происходит в пределах стрелочных переводов. Ресурс стрелочных переводов в 2-3 раза меньше, чем у рельсов. Рамные рельсы, остряки, крестовины и контррельсы могут быть дефектными, подлежащими замене в плановом порядке, и остродефектными, представляющими опасность для движения и подлежащими немедленной замене.
Повреждения земляного полотна постепенно накапливаются со временем, могут появляться внезапно и представляют непосредственную угрозу безопасности движения. На магистральных дорогах ок. 10 % земляного полотна имеют деформации. По внешним признакам они подразделяются на следующие виды: деформации основной площадки (балластные корыта, ложе, мешки и гнезда), оседания, пучины, провалы, расползание, оползни, лавины, размывы и др. Особенно неблагополучны в этом отношении БАМ и ряд участков новых дорог Восточной Сибири.
Для поддержания надежности ж.-д. пути необходимо: проводить массовое внедрение новых высокоресурсных конструкций (тяжелые виды рельсов, бесстыковые пути, железобетонные шпалы, раздельные рельсовые скрепления); корректировать нормы и допуски проектирования и содержания рельсовой колеи (унификация ширины, изменение подуклонки рельсов, уточнение возвышения рельсов в кривых); систематически контролировать состояние пути и рельсовой колеи посредством современных путеизмерительных средств, дефектоскопов, осмотров; усиливать индустриальную ремонтную базу (машинно-путевые станции, рельсосварочные предприятия, машины тяжелых видов, электроинструмент); улучшать динамику взаимодействия пути и подвижного состава на основе применения шлифовки рельсов, упругих скреплений, совершенствования режимов ведения поездов, улучшения конструкций рессорного подвешивания подвижного состава.