Повышение эффективности реконструкции железнодорожного пути за счет применения современных технологий по
На правах рукописи
ПИКАЛОВ Александр Сергеевич ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКОНСТРУКЦИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ по специальности 05.23.11 – «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» (технические наук
и)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск - 2013 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Путь и путевое хозяйство».
доктор технических наук, профессор, заведующий
Научный консультант:
кафедрой «Путь и путевое хозяйство» СГУПС Карпущенко Николай Иванович
Официальные оппоненты: Аккерман Геннадий Львович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Путь и железнодорожное строительство» УрГУПС Матвиенко Виктор Семенович кандидат технических наук, с.н.с., профессор кафедры «Изыскания, проектирование, постройка железных и автомобильных дорог» СГУПС
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения»
Защита состоится «23» мая 2013 г. в 11 - 00 часов на заседании диссертационного совета ДМ218.012.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС) по адресу: 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191, ауд.224, тел. (383) 328-04-02.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения».
Автореферат разослан «9» апреля 2013 года.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Соловьев Леонид Юрьевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Стратегия инновационного развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 года предусматривает ряд концептуальных решений, в том числе в путевом комплексе компании, реализация которых позволила бы в перспективе значительно повысить ресурс и снизить стоимость жизненного цикла железнодорожной инфраструктуры.
Система реконструкции и ремонтов пути отечественных железных дорог формировалась годами под влиянием совокупности эксплуатационных и природно-климатических факторов, основными из которых являются постоянно возрастающие грузонапряженность, скорости движения, осевые нагрузки, массы поездов, большие годовые амплитуды колебания температуры рельсов.
Работы по реконструкции железнодорожного пути в настоящее время проводятся в составе комплексной реконструкции инфраструктуры при необходимости увеличения пропускной и провозной способности участков, организации скоростного (от 141 до 200 км/ч) и высокоскоростного движения пассажирских поездов за счет комплексного обновления параметров устройства пути.
Следует констатировать повсеместную практику укладки рельсошпальной решетки «от соседнего пути», которая за десятилетия интенсивной эксплуатации и некачественной реконструкции привели к утрате проектного положения, особенно в кривых участках. Система обеспечения контроля качества работ при этом отошла на второй план.
В связи с этим возникает острая потребность в научном обосновании более совершенной технологии производства реконструкции пути, опирающейся на последние отечественные и зарубежные исследования и богатый отечественный опыт производства путевых работ.
В современных условиях наиболее эффективная технология – реконструкция пути на закрытых (на сутки и более) для движения поездов перегонах. Поэтому отработка технологии и организации работ по реконструкции пути на закрытом перегоне с реализацией предложений по автоматизации процесса постановки пути в проектное положение с использованием глобальных навигационных спутниковых (ГНСС) и инерциальных систем является актуальной.
Актуальной является оценка надежности разработанных технологических процессов, экономическая оценка принятых решений и оценка качества выполненных работ.
Под критериями эффективности реконструкции пути понимается выработка на 1 час закрытого перегона, стоимость реконструкции 1 км пути и точность постановки пути в проектное положение.
Степень разработанности темы исследований. По мере роста грузонапряженности, скоростей движения и массы поездов совершенствовалась конструкция пути, появлялись новые комплекты путевых машин, и с ними и новая технология путевых работ.
Проблеме совершенствования технологии реконструкции пути посвящено множество работ как российских, так и зарубежных ученых: В.Г. Альбрехта, Г.Е. Андреева, В.Б. Бредюка, Э.В. Воробьева, Ю.В. Гапеенко, А.И. Гришова, В.И. Грицыка, К.Н. Дьякова, В.М. Ермакова, В.Б. Каменского, Н.И. Карпущенко, Н.П. Кондакова, Н.П. Кемежа, Н.И. Коваленко, И.Б. Лехно, В.О. Певзнера, В.Н. Сизова, В.Т. Семенова, В.И. Тихомирова, Ю. А. Угодникова, В.Ф.
Федулова, Г.И. Шабалина, В.Я. Шульги, N.A. Koorn,U. Kurze, Y.A. Naylor, R. Weltschureck, J.
Stage. Однако в большинстве из них, за исключением трудов В.В. Щербакова, В.М. Жидова, А.С. Пикалова не рассматриваются проблемы реконструкции пути с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS, не затронуты вопросы надежности технологических процессов.
Объект исследования. Инфраструктурный технологический комплекс ОАО «РЖД».
Предмет исследования. Процесс постановки пути в проектное положение при реконструкции его на закрытом перегоне с использованием глобальных навигационных спутниковых систем.
Цель исследования. Повышение эффективности технологии реконструкции пути, получение экономического эффекта за счет снижения трудоемкости и стоимости последующего технического обслуживания.
Для реализации данной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
– сделан анализ, выявлены недостатки существующих технологий постановки пути в проектное положение с использованием относительных методов и сформулированы проблемы;
– разработаны методы и математические модели управления рабочими органами путевых машин при постановке пути в проектное положение с использованием глобальных навигационных спутниковых и инерциальных систем;
– разработана и реализована авторская методика оценки и повышения надежности технологических процессов реконструкции пути;
– выполнена технико-экономическая оценка эффективности технологии реконструкции пути на закрытом перегоне;
– сформулирована концепция системы оценок качества производства работ по реконструкции пути.
Научная новизна. В ходе исследования автором получен ряд новых научных результатов:
– разработана технология автоматизации процесса постановки пути в проектное положение с использованием координатных методов, систем ГНСС и инерциального блока АПК «Профиль»;
– предложена авторская методика и выполнена оценка надежности технологических процессов, сложных комплексов путевых работ;
– усовершенствована, адаптирована к реальным условиям производства работ и реализована методика технико-экономической оценки вариантов технологических процессов реконструкции пути в рыночных условиях;
– сформулирована концепция системы оценок качества выполненных работ по реконструкции пути.
Теоретическая и практическая значимость работы. Углубление и развитие методов проектирования производства работ, обеспечение надежности и экономической эффективности технологии реконструкции пути.
В качестве информационной базы исследований были использованы нормативные документы Правительства РФ, Министерства транспорта РФ, нормативные документы компании ОАО «РЖД», справочные данные и отчётные формы региональной и центральной дирекции по ремонту пути.
Практическая значимость работы так же состоит в возможности использования результатов исследования в дирекциях и предприятиях ремонтного сектора инфраструктуры при реконструкции пути, в том числе:
– методики проектирования рабочих технологических процессов реконструкции пути на закрытом для движения поездов перегоне с глубокой очисткой балласта и применением глобальных навигационных спутниковых систем;
– предложений по выбору системы путевых машин, обеспечивающих высокую производительность, надежность, качество отремонтированного пути;
– усовершенствованной методики технико-экономической оценки и оптимизации технологических процессов реконструкции пути;
– системы оценок качества выполненных работ по реконструкции пути.
Методология и методы исследования. Научный подход независимо от конкретных приемов и способов исследований отразил единство всех форм знаний о процессах управления техническим состоянием пути.
В ходе исследования применялись такие общие методы научного познания, как анализ и синтез, формализация и математическое моделирование, логический анализ и корректность доказательств.
В качестве методов исследования использовались: теория управления техническими системами, теория надежности технических систем, математическая статистика, теоретические основы экономического анализа.
Наряду с теоретическими, проводились экспериментальные исследования и натурные наблюдения за изменением параметров кривых после реконструкции участков пути с применением разных технологий.
Положения, выносимые на защиту:
– авторская методика проектирования реконструкции пути на закрытом перегоне с глубокой очисткой балласта и применением глобальных навигационных спутниковых систем;
– технология автоматизации процесса постановки пути в проектное положение с использованием координатных методов, систем ГНСС и инерциального блока АПК «Профиль»;
– авторская методика оценки надежности технологических процессов реконструкции пути и способа повышения надежности за счет правильного выбора путевых машин и грамотного технического их обслуживания;
– усовершенствованная методика технико-экономической оценки вариантов технологических процессов и системы путевых машин, задействованных в этих процессах;
– система оценки качества выполненных работ по реконструкции пути Степень достоверности. Научные положения, выводы и рекомендации подтверждаются комплексным анализом и обобщением литературных данных, корректной постановкой задач исследования, применением адекватного математического аппарата, обработкой большого объема отчетных статистических данных, хорошей сходимостью результатов расчетов и наблюдений.
Апробация результатов. Основные положения диссертации доложены и получили одобрение:
– на объединенном научном семинаре Томского государственного архитектурно строительного университета в 2013 г.;
– на международной научно-практической конференции «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе», посвященной 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения – 2012 г.;
– на объединенном научном семинаре Сибирского государственного университета путей сообщения в 2012 г.;
– на VIII международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2012» в г. Новосибирске;
– на международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» в г. Одесса, 2012 г.;
– на заседании секции научно-технического совета ОАО «РЖД» (протокол № 3 от 14.02.2011 г.);
– на совещании в департаменте технической политики ОАО «РЖД» (протокол № Цтех 753/пр);
– на IV сетевом слете молодежи ОАО «РЖД» в 2010 г.;
– на V международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2009» в г. Новосибирске.
По результатам исследований опубликовано 8 работ (личный вклад 1,13 печ. л.), в том числе четыре работы в ведущих научных рецензируемых журналах и изданиях, включенных в Перечень ВАК, зарегистрирован один патент.
Структура и объемы работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы (121 источник), приложения, изложенных на 180 страницах.
Содержит 23 таблицы, 44 рисунка.
1 Развитие системы организации и технологии реконструкции пути Исследованиями, проведенными после Великой Отечественной войны учеными ВНИИЖТа и транспортных вузов, позволили определить типизацию верхнего строения пути, классификацию путевых работ, установить межремонтные сроки по наработке тоннажа.
Классификация, утвержденная Госстроем СССР 5 мая 1964 года в виде «Положения о планово-предупредительном ремонте пути, земляного полотна и искусственных сооружений», действовала на дорогах СССР 30 лет. Она сыграла огромную роль в освоении отечественными дорогами беспрецедентного в мировой практике объема перевозок. За время действия Положения средняя грузонапряженность выросла с 24 до 42,8 млн. т·км брутто / км год, а масса рельса с 49 до 62 кг. Необходимо также отметить, что ряд положений, декларированных этим документом, так и не был реализован. Это, прежде всего, касается глубины очистки балластной призмы и выполнения промежуточной смены рельсов на железобетонных шпалах.
Высокий уровень грузонапряженности отечественных железных дорог выдвигал жесткие требования по обеспечению требуемой выработки в «окно» при реконструкции пути.
В силу этих объективных причин основной вид ремонтных работ (капитальный ремонт) в сущности, был сведен к замене рельсошпальной решетки. Главным критерием было выполнение требуемых объемов ремонта в километрах, причем в «окна» минимально возможной продолжительности. Система обеспечения контроля качества ремонтных работ отошла на второй план.
Выполненные в последние годы исследования выявили насущную необходимость системного подхода к обеспечению контроля качества реконструкции пути.
Важнейшими позициями также является глубина и качество очистки щебня, срезка обочины. Именно на этой стадии закладываются условия для обеспечения долговременной стабильности пути по геометрическим параметрам.
К реконструкции (модернизации) железнодорожного пути в соответствии с распоряжением ОАО «РЖД» № 1224р от 29 июня 2007 г. относятся работы, приводящие к изменению пространственных характеристик (плана и профиля пути, геометрии балластной призмы, земляного полотна, негабаритных мест), конструкции пути с устройством новых водоотводных, защитных и укрепительных сооружений. После реконструкции путь может переводиться также в более высокий класс в зависимости от эксплуатационных условий.
Технологический процесс реконструкции пути должен установить по времени и месту последовательность выполнения машинами и механизмами (с обслуживанием их персоналом) отдельных работ по всему их фронту. Он должен определить заранее рассчитанный темп работ, количество монтеров по квалификации, машин и механизмов, нужных для каждой составляющей работ, время начала и конца их выполнения и переходы монтеров пути с одной работы на другую.
При реализации производственного процесса комплекс путевых машин представляет собой совокупность рабочих поездов. Состав и размеры каждого поезда устанавливаются расчетом.
К основным параметрам технологического процесса относятся: протяженность участка (фронт) основных работ в «окно», продолжительность «окна» и периодичность его предоставления.
Время, необходимое на выполнение основных работ в «окно» Тo состоит из следующих элементов:
(1) в р где Тр – время, необходимое для развертывания работ;
Тв – время работы ведущей машины;
Тс – время, необходимое для свертывания работ потока.
Рациональное использование техники главный потенциал в оздоровлении пути, и поэтому эффективно использовать его - первостепенная задача путейцев.
В современных условиях наиболее эффективная технология - реконструкция пути на закрытых перегонах.
При производстве работ в режиме закрытого перегона имеется достаточно времени для производства всех технологических операций, так как цепочка работ привязана к ведущей машине, выполняющей основные работы с производительностью ниже вспомогательных работ (РМ, УК, ЭЛБ, ВПР). Пример организации работ можно увидеть на рисунке 1.
Дополнительные эффекты от внедрения организации реконструкции пути с длительным закрытием одного пути перегона связаны с сокращением общего срока производства работ более чем в 5 раз, что обеспечивает решение стратегических целей развития ОАО «РЖД» в области ресурсосбережения, повышения качества и технико-экономической эффективности его деятельности.
Рисунок 1 – График производства работ на участке реконструкции При этом более чем в 1,5 раза снижаются затраты труда на оздоровление одного километра;
увеличивается в 2 – 3 раза производительность ведущих машин глубокой очистки;
сокращается в 1,5 – 3 раза средняя продолжительность закрытия перегона при различных видах ремонта. Принятая технология реконструкции пути с устройством временных блокпостов позволила достигнуть средней выработки на Транссибирской магистрали в 2008 г. 1500 м пути в сутки (максимальная выработка 2000 м).
В результате путь после такого оздоровления может пропустить без промежуточных ремонтов не менее 1000 млн. т·брутто без ограничения скорости (по результатам опытных данных на участках Транссиба), в то время как по существующим нормативам после наработки 700 млн. тонн брутто требуется проведение реконструкции пути.
2 Технология постановки железнодорожного пути в проектное положение традиционными методами при его реконструкции Традиционная методика натурной съемки при проектировании реконструкции железнодорожного пути включает: разбивочные работы, создание опорной геодезической сети, закрепление пикетов и других точек, измерение координат X, Y, H, подготовка проектных данных.
Одним из наиболее важных этапов съемки путевой инфраструктуры железных дорог является съемка его криволинейных участков. Её выполняют с целью нанесения кривой на план, определения элементов кривой, а также величин выправки (рихтовки) пути, чтобы придать ему расчетную форму.
При проектировании железнодорожных кривых часто используется теория нормалей. В отличие от декартовой системы координат этот способ не требует введения вспомогательных сетей, а использует ось существующего пути, как криволинейную ось абсцисс. Положение любой точки М в плоскости основной кривой определяют нормалью N и длиной отрезка кривой S от некоторого начального пункта А до основания нормали.
Выражая кривизну К существующей и проектируемой кривой через стрелы изгиба fi и Fi и считая, что радиус R равен:
, (2) где а – расстояние между основаниями нормалей двух соседних точек, получим выражение для определения сдвига (в конечных разностях) К 1 i f Fi.
N К 2 (3) i j 1 i Таким образом можно получить оптимальные значения сдвига.
В проектных организациях съемку кривых производят способом эвольвентных разностей, разработанным И.В. Гоникбергом, и измерением стрел изгиба.
Элементы круговой кривой могут быть получены по координатам ее точек, измеренным непосредственно в поле или снятым с топографического плана. Для этого необходимо иметь по две точки на прямых участках пути до начала кривой и после ее конца, а также не менее трех точек на самой кривой.
Радиус кривой можно вычислить, исходя из координат центра кривой и одной из ее точек.
При геодезической съемке кривых для ряда существующих способов общим является измерение стрел изгиба. Возникает вопрос, с какой точностью необходимо измерять стрелы изгиба, чтобы ошибки измерений не могли оказать существенного влияния на результаты расчета элементов кривой.
Стрела изгиба в этом случае выражается равенством (2).
Дифференцируя равенство (2) и переходя к средним квадратическим ошибкам, запишем:
() () (4) Подставив значения частных производных в равенство (3), получим (5) где и – средние квадратические ошибки измерения хорды и радиуса. Исследования показали, что можно считать = 0,013 – 0,01 м (при 600 м);
0,01 м (при м).
Для определения относительной ошибки радиуса кривой воспользуемся нормами содержания кривых. Радиус кривой не является величиной постоянной, он меняется в зависимости от интенсивности движения поездов. Для наиболее распространенных проектных значений радиусов кривых (600 - 800 м) эти колебания составляют 9 – 10 %, а для радиусов от 200 до 300 м – порядка 1,6 – 2,0 %. Отсюда следует, что ошибка в реализации проектного задания радиуса кривой, равная 2 %, допустима для кривых всех радиусов.
Вычислив значение, получим, что точность измерения стрел изгиба кривой, составляющая 1 – 2 мм, необходима при радиусе кривой более 1200 м, а для меньших радиусов предельное расхождение между двумя промерами стрелы изгиба может быть увеличено до 3 – 4 мм (точность результатов расчета выправки кривой не снижается).
В работе также дана оценка точности съемки кривой, выполненной способом эвольвентных разностей.
В работе выполнен анализ существующих габаритных расстояний между осями соседних путей, до опор контактной сети, величин радиусов в кривых, длин круговых и переходных кривых по результатам прохода вагонов путеизмерителей, а также с использованием электронных тахеометров. Результаты полевых измерений обрабатывались с использованием аппаратно-программного комплекса AQUJLA. Эксперименты выполнялись на станции Обь, 4 путь и перегоне Клещиха – Чемской, 2 путь.
Результаты обработки данных измерений показали, что смещение оси пути относительно проектного положения после укладки пути достигают 60 см, на этапе балластировки пути - 4 см, после выправки пути погрешность достигает 14 см.
При этом отклонение величин радиусов кривых от проектных решений составила 3 %, длин круговых кривых – 17 %, длин переходных кривых – 15 – 27 %.
Выправка пути машинами ВПР и Дуоматик осуществляется с использованием программного комплекса «Навигатор» на основании измерения стрел изгиба кривой, которая не дает достаточной точности. Очевидно, что решение данной задачи состоит в переводе путевой техники на работу с использованием координатных методов, позволяющих более точно реализовывать проектные решения и улучшить качество работ.
3 Технология производства работ по реконструкции пути с применением глобальных навигационных спутниковых систем Предлагаемая технология включает средства и методы постановки пути в проектное положение, которые основаны на координатных методах для реализации в координатной среде, создаваемой на локальном участке производства реконструкции или ремонта в виде 4 – опорных точек местной системы координат (МСК). МСК обеспечивает единство измерений и используется на всех этапах работ. Проектные параметры пути форматируются в координатной среде, структурируются в виде набора данных, отображающих пространственное положение точек и линий. Система управления вырезкой балласта (СУВБ), система управления выправкой пути (СУВП) имеют форматы и структуры данных задания полностью соответствующие структуре и формату проектных данных созданных в координатной среде.
Это позволяет однозначно сравнивать текущие координаты с проектными, например, в процессе выправки пути или вырезки балласта. Современные ГНСС приемники позволяют работать с системами ГЛОНАС и GPS оборудованием, одновременно принимая сигнал по универсальным каналам, что повышает точность и производительность выполняемых работ.
Геодезические спутниковые приемники позиционирования, выполняющие натурную съемку с сантиметровой точностью, обеспечивают требуемую точность в плане и по высоте при комплексировании с инерциальными системами.
Использование ГНСС для систем автоматизированного управления (САУ) при определении пространственного положения пути в режиме «кинематика» (в реальном времени) требует фильтрации данных для исключения грубых ошибок и повышение надежности измерений.
Проведенные исследования полностью подтверждают, что по отдельности спутниковая и инерциальная системы позиционирования не соответствует требованиям нормативных документов по выправке пути и постановке в проектное положение (в плане и по высоте), поэтому САУ создаются как комплексные системы.
Комплексирование инерциальной системы и ГНСС – одна из главных задач при создании и усовершенствовании систем контроля постановки пути в проектное положение, так как позволяет повысить точность и надежность получаемых измерений. Совместная обработка подразумевает синхронизированную работу спутникового приемника и инерциального блока.
Повышение точности обеспечивается за счет подавления ошибок, которые имеются у обеих составляющих.
Фильтрация ошибок основана на различии динамических свойств оборудования: чем дальше разнесены спектры частот погрешностей, тем выше эффективность их подавления.
Схема комплексирования совместной работы спутникового приемника и инерциального блока представлена на рисунке 2. Исследование точности комплексной системы рассмотрим на примере АПК «Профиль».
W x1=x+ Спутниковый Ф приемник W2 y x2=x+ Инерциальный Ф блок Рисунок 2 – Структурная схема комплексирования Задача комплексирования состоит в том, чтобы получить сигнал y, который давал бы информацию о полезной величине x с меньшими погрешностями чем 1, и 2. Для этой цели сигналы проходят через фильтры Ф1 и Ф2. В соответствии со структурной схемой выходной сигнал y имеет вид y = (W1+W2) x + W1 1 + W2 2 (6) где x – изображение полезного сигнала x(t);
1 и 2, – изображение ошибок спутникового приемника и инерциального блока;
W1 и W2 – передаточные функции фильтров.
Анализ измерений, выполненных аппаратно-программным комплексом, в составе которого инерциальный блок синхронизировался по очереди со спутниковой аппаратурой, использующей только GPS, а также совместную обработку данных, показали высокую надежность и эффективность.
Для управления вырезкой (очисткой) загрязненного балласта на машину тяжелого типа устанавливается комплект спутникового оборудования с комплексом СУВБ.
В приведенной на рисунке 3 структурной схеме А1 – спутниковая антенна, установленные на одной из направляющих штанг в верхней точке (на оси вращения) или корпусе кузова на удалении до 1 м от оси вращения.
А1 П1 Dпу Спутниковый Датчик поперечного приемник 1 угла наклона d1, d2, d л, л, Zл пу Dл Dп Датчик Портативный Датчик пр л продольного продольного компьютер (Панель наклона левый наклона правый оператора ППК) ±Hл ±Hп Устройство управления приводом рабочих органов ЩОМ (УПР) Рисунок 3 – Структурная схема реализации СУВБ ЩОМ Сущность определения параметров вырезки (очистки) балласта заключается в определении ГНСС высотной отметки Нп верхней точки (опорной) на направляющей штанге, вычислении высотной отметки второй направляющей Нл по известной высотной отметке Нп, углу поперечного наклона кузова машины и расстоянию между направляющими баровой цепи dБ, по формуле:
. (7) Работа системы управления вырезкой (очисткой) балласта заключается в сравнении текущих высотных отметок (координат) нижней части баровой цепи щебнеочистительной машины по правой и левой направляющим баровой цепи или продольной оси (средней части баровой цепи) с проектными высотными отметками (координатами) в текущей точке пути.
Высотные отметки левого и правого концов баровой цепи, глубина вырезки загрязненного балласта вычисляются по формулам, приведенным в диссертации.
Вырезка балласта с использованием САУ на базе ГНСС обеспечивает нормативные требования по геометрическим параметрам (поперечный уклон и глубина вырезки) при подготовке земляного полотна для последующих работ. В результате балластировки железнодорожный путь, выставленный в проектное положение со средней квадратической погрешностью ± 20 мм, обеспечивает качественную последующую выправку Дуоматик (ВПР-02). Окончательная выправка пути в настоящее время выполняется АС «Навигатор» со сдвижкой от положения пути, поставленного ЭЛБ. В нашей работе предусмотрена установка на машину Дуоматик автоматизированной системы управления выправкой пути координатными методами. Вырезка балласта с использованием САУ на базе ГНСС обеспечивает нормативные требования (±5 см) при подготовке земляного полотна для последующих работ.
В целом САУ на базе ГНСС позволяет отказаться от наиболее трудоемкого процесса разбивочных работ.
4 Оценка надежности технологических процессов реконструкции железнодорожного пути Технологические системы (ТС) являются многофазными, т.е. их работа организована так, что продукт последовательно обрабатывается в первом, втором и т.д. технологических устройствах (агрегатах). Вся система считается работоспособной, если выходное устройство выдает продукцию. В многофазных системах при отказе любого из агрегатов и отсутствии резервных все работоспособные агрегаты немедленно останавливаются и простаивают до окончания ремонта неработоспособного агрегата.
Надежность таких систем является низкой. При различных производительностях последовательно работающих агрегатов производительность всей ТС равна производительности наиболее медленно работающего агрегата. Поэтому обычно стараются применять агрегаты с близкой производительностью. В технологических процессах реконструкции пути медленно работающие щебнеочистительные машины выводят из технологической цепочки и организуют их работу в отдельные «окна».
Для объектов этой группы большое значение имеет свойство готовности – способности находиться в процессе эксплуатации значительную долю времени в работоспособном и готовом к применению состоянии. В связи с этим основным показателем надежности в данном случае является коэффициент готовности, который можно понимать так же как долю времени, в течение которого объект работоспособен, от общего времени эксплуатации объекта.
(8) где и – математическое ожидание времени безотказной работы и времени восстановления;
и – интенсивность отказов и восстановления.
Метод оценки надежности системы машин основан на допущении о показательных распределениях времени (наработки) между отказами и времени восстановления.
Коэффициент оперативной готовности системы машин – это вероятность того, что система проработает безотказно в течение заданного времени работы, начиная с произвольного, достаточно удаленного от начала эксплуатации времени t.
Коэффициент готовности системы машин в этом случае:
[ ( )]. (9) Структура простоев, связанных с организацией работы путевой техники, не однородна для разных типов путевых машин. В структуре простоев ВПР и ВПРС преобладают простои в выходные и праздничные дни соответственно: 26 % и 31 % от всех простоев, что свидетельствует об отсутствии организации двухсменной работы данных машин. В структуре простоев щебнеочистительных, кюветоочистительных, машин Дуоматик, Унимат, ДСП, УК 25СП наибольшее влияние имеет тот фактор, что эта техника имеет значительно большие фронты обслуживания и большое время тратиться на транспортировку к месту работ. Самое большое количество простоев приходится на доли:
– транспортировки (от 16 % на ЩОМ до 34 % на УК-25СП);
– отмены «окон» (от 12 % на ДМ до 23 % на ЩОМ);
– прочие причины (от 14 % на УНМ до 33 % на ЩОМ).
Анализ простоев показывает, что на железных дорогах плохо налажена работа по организации производственного процесса выполнения реконструкции и текущего содержания пути с использованием путевых машин. Проведение предварительного планирования работы путевых машин позволит существенно сократить потери времени на их транспортировку, количество отменяемых «окон». Вследствие этого, возрастает коэффициент готовности цепочки путевых машин в технологическом процессе до 0,85 (в среднем он составляет 0,65) и будет достигнуто их более эффективное использование. Это позволит выполнить запланированные объемы реконструкции пути меньшим количеством путевой техники.
Важное значение в обеспечении безотказного функционирования машин в сезоне летних путевых работ приобретает их подготовка в зимний период, т.е. качественные и в полном объеме проведенные ТР и СО. Основной метод их выполнения – смешанный, сочетающий в себе преимущественно элементы необезличенного и частично обезличенного (агрегатно-узлового) методов.
5 Технико-экономическая эффективность технологических процессов и оценка качества выполненных работ Сравнение вариантов технологии реконструкции пути проводится на основании анализа технико-экономических показателей. Главным показателем обычно является себестоимость работ, отнесенная к 1 км пути, с учетом затрат на временные мероприятия по усилению пропускной способности и дополнительные эксплуатационные потери, вызванные задержкой поездов. Однако этот показатель не может считаться достаточным.
Сравнительная оценка различных вариантов механизации путевых работ, а также технологических процессов и проектов организации работ в целом, осуществляется системой показателей, к числу которых относятся качество работ, производительность труда, выработка за 1 час «окна» и другие.
В настоящее время применяются два основных варианта организации реконструкции железнодорожного пути с глубокой очисткой (вырезкой) балласта:
– режим периодически предоставляемых «окон»;
– режим длительного закрытия перегона (полуперегона) на весь период производства работ.
Условием эффективности организации реконструкции пути является минимизация суммарных затрат, связанных с выполнением путевых ремонтных работ и задержек поездов, с учетом количества и продолжительностью требуемых «окон» (закрытия перегона). При выполнении расчетов учитываются только переменные факторы, зависящие от организации и технологии выполнения работ.
Таблица 1 – Характеристика организации реконструкции пути Время (количество) технологического Время закрытия перегона, суток «окна», ч (шт.) реконструкции Длина участка, «окна», ч (шт.) Общий период рабочих смен производства Организация (количество) Количество работ, дней основного (12 ч), шт.
участка Номер Время км «окно» – 15 12 (30) 12 (10) 68 закрытие – – 15 12 12 перегона «окно» – 8,84 12 (18) 12 (6) 42 закрытие – – 8,84 8 8 перегона Сумма приведенных затрат при производстве работ по реконструкции пути Э Эз Эо Эно Эпр Элок, (10) где Эз – затраты, связанные заработной платой монтеров пути и машинистов, руб./км;
Эо – затраты, вызванные предоставлением «окон» (закрытия перегона) для проведения реконструкции пути, руб./км;
Эно – затраты, связанные с непредоставлением графиковых «окон», руб./км;
Эпр – затраты, вызванные простоем и дополнительной работой путевых машин в режиме «окон», руб./км;
Элок – затраты, связанные с арендой локомотивов, руб./км.
При «оконном» режиме реконструкции пути комплекс работ по замене рельсошпальной решетки выполняется в основные «окна», работы по укладке рельсовых плетей производятся в заключительный период в технологические «окна». При режиме закрытия участка на весь период производства работ принимается технология, не требующая после открытия перегона дополнительных технологических «окон».
В соответствии с таблицей 1 общее время производства работ в режиме «окон» для участка (Мошково - Ояш) – в 3,33 раза, а для 2 участка (Панкрушиха – Урываево) – в 3 раза больше, чем при закрытии перегона, что пропорционально увеличивает затраты на заработную плату.
Для дальнейшего сравнительного анализа результаты расчетов по всем видам дополнительных затрат сведены в таблицу 2.
В результате сравнения вариантов определено, что затраты при производстве работ в режиме закрытого перегона значительно ниже чем при производстве работ в «окна», экономический эффект составляет: для 1 участка – 1,95 млн. руб./км, для 2 участка – 1,77 млн. руб./км.
Таблица 2 – Сравнительный анализ затрат по переменным факторам Общие Режим Длина участка Вид затрат, тыс. руб./км Номер затраты организации участка, Э, тыс.
реконструкции км Эпр Эз Эо Эно Элок руб./км «Окно» 15 1186,38 110,77 144,36 749,75 947,29 3138, Закрытие – – 15 462,74 74,40 656,17 1193, перегона «Окно» 8,84 1189,05 41,24 193,91 762,58 682,16 2868, Закрытие – – 8,84 515,26 27,49 556,71 1099, перегона Наибольшие затраты при организации реконструкции в режиме «окна» являются расходы на заработную плату, на привлечение локомотивов и путевых машин. Влияние такого чрезвычайно важного и дорогостоящего фактора, как задержка поездов, за счет внедрения рационального пакетного режима движения, сводится к минимуму.
Для обеспечения высокого качества реконструкции пути разработана система технических, технологических и организационных мероприятий, структура которых представлена в диссертации. Система состоит из шести основных блоков, которые, с одной стороны, реализуются последовательно, с другой – между элементами системы существует взаимосвязь. При оценке качества проектирования ключевыми критериями являются полнота изыскательских, в т.ч. геологических работ и обоснованность проектных решений.
В новых экономических условиях появилось значительное количество новых поставщиков материалов верхнего строения пути. Поэтому одной из важнейших позиций обеспечения качества ремонта при ограниченных денежных ресурсах становится введенная сертификация, а также система входного контроля получаемых материалов верхнего строения пути, в т.ч. с использованием соответствующего инструментария.
Заключительным блоком системы обеспечения и контроля качества ремонтов пути являются мероприятия при приемке работ. Принципиальным здесь является объективность данных для оценки качества.
Основным критерием, определяемым на этом этапе, является соответствие исполненного плана и профиля пути проектному, которое в обязательном порядке должно инструментально проверяться. В определенной степени это может быть реализовано путеизмерителем ЦНИИ-4, АПК «Профиль».
Заключение Традиционная методика натурной съемки железнодорожного пути при 1.
проектировании реконструкции включает: разбивочные работы, создание опорной геодезической сети, закрепление пикетов и других точек, измерение координат X,Y,H, подготовка проектных данных. Одним из наиболее важных этапов съемки положения пути является съемка его криволинейных участков. Её выполняют с целью нанесения кривой на план, определения элементов кривой, а также величин выправки (рихтовки) пути, чтобы придать ему расчетную форму.
Для оценки качества постановки пути в проектное положение традиционными методами в работе выполнен анализ габаритных расстояний между осями соседних путей, до опор контактной сети, величин радиусов в кривых, длин круговых и переходных кривых по результатам прохода вагонов путеизмерителей, а также с использованием электронных тахеометров. Результаты обработки данных измерений показали, что смещение оси пути относительно проектного положения после укладки рельсошпальной решетки составили в среднем 46 мм, после балластировки – 26 мм, после выправки – 26 мм. При этом отклонение величин радиусов кривых от проектных решений составило 3 %, длин круговых кривых – %, длин переходных кривых – 15 – 27 %.
Причинами расхождений являются различные стандарты расчетов геометрических параметров пути: проектные организации выполняют расчеты в координатах с привязкой к опорной геодезической сети, а при укладке и балластировке пути используются относительные методы с привязкой к соседнему пути.
2. Современные ГНСС приемники позволяют работать системами ГЛОНАС и GPS оборудованием, одновременно принимая сигнал по универсальным каналам, что повышает точность и производительность выполняемых работ.
Профессиональные геодезические спутниковые приемники, выполняющие геодезическую съемку с сантиметровой точностью, обеспечивают точность в плане (статическая съемка): 3 мм + 0,5 мм/км, кинематическая съемка 10 мм 1 мм/км. Точность съемки по высоте (статическая съемка): 6 мм + 0,5мм/км, кинематическая съемка:
20 мм + 1мм/км.
Использование ГНСС для съемки пространственного положения пути в режиме «кинематика» не обеспечивает необходимой точности требуемой техническими условиями Исследования второй составляющей комплексной системы – инерциального блока АПК «Профиль» проведено на участке железнодорожного пути Новосибирск – Пашино. В результате исследований установлено:
– на фиксированной длине хорды 20 м получены результаты с повторяемостью 1 – 2 мм;
– при протяженных во времени измерениях наблюдаются отклонения от фактического положения, превышающие нормативные требования.
Проведенные исследования полностью подтверждают расчеты и обоснования, того что по отдельности каждая из исследуемых систем в полном объеме не обеспечивает требований нормативных документов. Учитывая эти факты, необходимо комплексировать ГНСС с инерциальными системами.
3. Предлагаемая нами технология включает средства и методы постановки пути в проектное положение, основанное на координатных методах, и реализуется в координатной среде, создаваемой на локальном участке производства реконструкции или ремонта в виде 4 – 5 опорных точек МСК. МСК обеспечивает единство измерений и используется на всех этапах работ. Проектные параметры пути форматируются в координатной среде, структурируются в виде набора данных, отображающих пространственное положение точек и линий в координатной форме. Системы управления вырезкой балласта и система управления выправкой пути имеют форматы и структуры данных задания полностью соответствующие структуре и формату проектных данных.
При создании систем управления выправкой пути найдены принципиально новые решения, позволяющие непрерывно определять координаты путеизмерительной тележки, находящейся вне зоны радиовидимости.
4. При оценке надежности технологии реконструкции пути учитывалось, что рассматриваемые технологические системы являются многофазными, т.е. их работа организована так, что продукт последовательно обрабатывается в первом, втором и т.д.
технологических устройствах (агрегатах). При различных производительностях последовательно работающих агрегатов производительность всей ТС равна производительности наиболее медленно работающего агрегата. Поэтому обычно стараются применять агрегаты с близкой производительностью.
Для объектов этой группы большое значение имеет свойство готовности - способности находиться в процессе эксплуатации значительную долю времени в работоспособном и готовом к применению состоянии. Анализ простоев показывает, что на железных дорогах плохо налажена работа по организации производственного процесса. Проведение предварительного планирования работы путевых машин позволяет существенно, сократить потери времени на их транспортировку, количество отменяемых «окон». Вследствие этого, возрастает коэффициент готовности путевых машин до 0,85 (в среднем он составляет 0,65) и достигается более эффективное использование, что позволяет выполнять запланированные объемы реконструкции пути меньшим количеством путевой техники.
5. Сравнение вариантов технологии реконструкции пути проводится на основании анализа технико-экономических показателей. Главным показателем является себестоимость работ, отнесенная к 1 км пути, с учетом затрат на временные мероприятия по усилению пропускной способности и дополнительные эксплуатационные потери, вызванные задержкой поездов. Сравнительная оценка различных вариантов механизации путевых работ, а также технологических процессов и проектов организации работ в целом осуществляется системой показателей, к числу которых относятся качество работ, производительность труда, выработка за 1 час «окна» и другие.
В результате сравнения вариантов определено: затраты при производстве работ в режиме закрытого перегона значительно ниже, чем при производстве работ в «окна».
Экономический эффект составляет: для 1 участка – 1,95 млн. руб./км, для 2 участка – 1,77 млн.
руб./км. Наибольшие затраты при организации реконструкции в режиме «окна» являются расходы на заработную плату, на привлечение большего количества локомотивов и путевых машин.
Опыт Западно-Сибирской железной дороги по выполнению реконструкции пути с закрытием перегона показывает высокий уровень суточной производительности такого режима организации работ: средний уровень – 1 – 1,5 км/сут., а максимальный – более 2,28 км/сут.
6. Для обеспечения качества реконструкции пути разработана система технических, технологических и организационных мероприятий, структура которых представлена в диссертации.
Система состоит из шести основных блоков, которые, с одной стороны, реализуются последовательно, с другой, – между элементами системы существует взаимосвязь. При оценке качества проектирования ключевыми критериями являются полнота изыскательских, в т.ч.
геологических работ и обоснованность проектных решений. Заключительным блоком системы обеспечения и контроля качества ремонтов пути являются мероприятия при приемке работ.
Основным критерием, определяемым на этом этапе, является соответствие исполненного плана и профиля пути проектному, которое в обязательном порядке должно инструментально проверяться. В определенной степени это может быть реализовано путеизмерителем ЦНИИ-4, АПК «Профиль».
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации I. Публикации в ведущих научных рецензируемых журналах и изданиях, включенных в Перечень ВАК 1. Пикалов А.С. Глобальные навигационные спутниковые системы при реконструкции пути / В.В. Щербаков, А.С. Пикалов, И.В. Щербаков // Путь и путевое хозяйство. – 2010. – № 5. – С. 25–27. (личный вклад 0,06 печ. л.) 2. Пикалов А.С. Система рационального использования железобетонных шпал / А.С.
Пикалов, Д.В. Величко // Транспорт Урала. – 2010. – № 3 (26). – Екатеринбург: УрГУПС, – С. 93–97. (личный вклад 0,13 печ. л.) 3. Пикалов А.С. Эффективность организации ремонта пути в режиме длительного закрытия перегона / А.С. Пикалов, Д.В. Величко // Транспорт Урала. – 2011. – № 4 (31). – Екатеринбург: УрГУПС. – С. 77–81. (личный вклад 0,13 печ. л.) 4. Пикалов А.С. Выправка пути при реконструкции и ремонте железнодорожных путей с использованием ГИС-технологий и ГНСС / В.В. Щербаков, А.С. Пикалов // Транспортное строительство. – 2012. – № 1. – С. 23–26. (личный вклад 0,13 печ. л.) II. Статьи в научных журналах, сборниках научных трудов и материалов научно-практических конференций 5. Пикалов А.С. Технология постановки пути в проектное положение при реконструкции верхнего строения пути с использованием ГЛОНАСС/GPS [Текст] / А.С. Пикалов, В.В. Щербаков // Материалы V международного научного конгресса «ГЕО Сибирь-2009». – Новосибирск: СГГА. – 2009. – Том 1. – С. 282 – 286.
6. Пикалов А.С. Координатные методы контроля геометрии параметров и выправки пути на базе глобальных спутниковых навигационных и инерциальных систем [Текст] / В.В. Щербаков, В.М. Круглов, А.С. Пикалов // Вестник ПГУПС. – Санкт-Петербург: ПГУПС.
– 2010. – С. 70 – 73.
7. Пикалов А.С. Оценка надежности технологических процессов реконструкции и ремонтов железнодорожного пути [Текст] / Н.И. Карпущенко, А.С. Пикалов // Наука и транспорт. – 2012. – № 3. - С. 65-67.
Пикалов А.С. Технология производства реконструкции и ремонтов пути 8.
абсолютными методами с применением глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) ГЛОНАСС/GPS [Текст] / А.С. Пикалов // Сборник научных трудов SW rld.
Материалы международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2012» Выпуск 2. Том 26. – Одесса:
КУПРИЕНКО, 2012. – С. 39 – 44.
III. Патенты 9. Патент №112209 Российская Федерация, МПК Путевая машина / Щербаков В.В., Верескун В.Д., Модестов А.Н., Пикалов А.С.;
заявитель и патентообладатель СГУПС;
опубл.
10.01.2012, Бюл. №1 - 2с.
ПИКАЛОВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКОНСТРУКЦИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.11 – «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» (технические науки) _ Подписано в печать «5» апреля 2013 г.