669

Функция S(t) есть функция распределения времени восстановления. Экспериментально величина S(t) определяется по формуле

S(t) =	Nв	,	(1.32)
	Nов

где Nв — число объектов, восстановленных за время t; Nов — число объектов, поставленных на восстанов-

ление.

Функция S(t) с вероятностной точки зрения идентична функции Q(t) и имеет те же свойства. Аналогично вводятся показатели: частота восстановления αв(t) как плотность распределения времени восстановления и интенсивность восстановления ‚(t) как условная плотность вероятности восстановления при условии, что до момента времени t восстановления объекта не произошло. По аналогии с формулами (1.7) и (1.12)

αв

(t) =

dS(t)

, µ(t) =

αв (t)

.

(1.33)

dt

1− S(t)

Их статистические оценки

α

(t) =

nв ( t)

, µ(t) =

nв ( t)

,

в

Nов t

Nнв ср

t

где nв ( t) — число объектов, восстановленных в интервале времени t −

t

+

t

; Nнв ср

— среднее число

t

2

2

объектов, которые были неработоспособны в интервале времени t −

t

t

t +

.

2

2

N

=

(Nнв 1 + Nнв 2 )

,

нв ср

2

где Nнв 1 (Nнв 2 ) — число неисправных объектов в моменты времени t −

t

t

t +

.

2

2

Величина ‚(t) в общем случае зависит от сложности объекта, трудоемкости ремонта и производительности труда ремонтных бригад.

Среднее время восстановления Тв — математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния объекта, (1.2) и (1.15)

Tв = ∞∫tαв (t)dt = ∞∫(1− S(t))dt ;

	0		0
		Nов	tiв
	Tв	= ∑		,	(1.34)
		i=1	Nов

где tiв — время восстановления i-го объекта.

Таким образом, между показателями безотказности и ремонтопригодности существуют аналогии

Q(t) ↔ S(t),
		(1.35)
λ(t) ↔ µ(t),
T ↔ Tв .

Пусть интенсивность восстановления не зависит от времени ‚(t) = ‚ =

= const. Практически это означает, что производительность труда ремонтных бригад сохраняется постоянной.

Тогда для времени восстановления справедлив экспоненциальный закон (рис. 1.18) и в соответствии с формулами (1.17–1.19) имеем

S(t) = 1− e−µt µt ;			(1.36)
T =	1	.	(1.37)
в	µ

П р и м е р . Тв = 1/0,2 = 5 ч, т.е. среднее время восстановления объекта равно 5 часам. Вероятность того, что объект будет восстановлен за 4 часа равна S (t) = 0,2 · 4 = 0,8.

Из графика (рис. 1.23) вытекает следующий вывод. Вероятность S (t) того, что время восстановления объекта tв не превысит время t, стремится к 1 при t→∞. Иначе говоря, чем больше дается времени на восстановление, тем больше вероятность того, что объект будет восстановлен за это время.

33

S(t)
1
	1 - e-‚t
0	t
Рис. 1.23. Экспоненциальный закон восстановления

Коэффициент готовности Кг — вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени t.

Kг =	Tср
			.	(1.38)
	T	+T
	ср	в

Коэффициент готовности — комплексный показатель надежности, который учитывает и безотказность и ремонтопригодность объекта.

Этот коэффициент показывает долю времени, в течение которого объект работает, по отношению к суммарному времени работы и ремонта. Если затрачивается много времени на ремонт, то Кг будет мал, т.е. в промежутках между техническими обслуживаниями много времени тратится на ремонтные операции.

С другой стороны, время на ремонт может быть сокращено за счет длительных и частых плановых технических обслуживании То (профилактика). Это учитывается коэффициентом технического использования, который представляет собой отношение наработки изделия в единицах времени за некоторый период эксплуатации к сумме этой наработки и времени простоев, вызванных плановым техническим обслуживанием и незапланированными ремонтами за тот же период эксплуатации

Kти =		Tср		.	(1.39)
	T	+ T +T
	ср	в	о

Когда в руководстве по эксплуатации машины содержится множество требований к регулировкам, подтяжкам соединений, различным проверкам и т.п., занимающим много времени, то, несмотря на сравнительно высокий коэффициент готовности, т.е. безотказность в промежутках между профилактическими обслуживаниями, простой такой машины будут велики и ее надежность недостаточной [17].

Наиболее объективные сведения о надежности изделий можно получить на основе использования статистических данных об отказах, полученных в процессе эксплуатации. Без информации об отказах невозможно определить показатели надежности, выявить недостатки в конструкции пути и ее содержании, установить влияние на надежность условий эксплуатации и на основании всех этих данных принять меры для дальнейшего повышения надежности пути.

Нормативная документация вводит понятие коэффициента оперативной готовности — это вероятность того, что объект окажется работающим в произвольный момент времени, кроме тех, в которые применение объекта не предусматривается и, начиная с этого момента, объект будет работать безотказно в течение заданного интервала времени. Например, коэффициент готовности путевого хозяйства (1.40) представляет собой отношение средней продолжительности работы участка пути к сумме средней продолжительности работы и ремонта участка пути. Однако, если учесть ограничения скорости, которые заложены в график движения, а реально имеются еще отклонения в виде появления дополнительных (временных) ограничений скорости, то тогда это становится коэффициентом технического использования.

Коэффициент готовности путевого хозяйства

Kг =	Tп	,	(1.40)
	T + T
	п p

где Tп — средняя продолжительность работы участка пути; Tр — средняя продолжительность ремонта участка

пути.

Учет этих элементов и контроль (рис. 1.24), а также прогнозирование это достаточно сложный процесс и часть из этих элементов уже заложена в АСУ-П. Поэтому доведение данной системы до возможности вычисления коэффициента готовности и соответственно включения его использования в перевозочный процесс является вполне выполнимой задачей. Таким образом можно формировать элементы оперативного взаимодействия различных служб по увеличению скорости движения в целом.

34

			АСУ-П
Ведение паспорта пути, управление работой путевого
			хозяйства
АПВО		Натурный осмотр						Учёт и анализ
Формирование			пути, работа
								наличия
плана на			передвижных
								предупреждений
проведения			технических
								(временных
технических			средств
								ограничений
«окно»			диагностики
								скоростей
Принятие решений об								движения)
ограничении скорости или					а		й
							и
					ч		н
запрете движения					а	е
				д
			ы		режд			Дистанция пути
			в
					п
			у
			д					Формирование
			е
			р
			п
								заявок на
ЕКС	Локомотив							проведение работ
								на пути

Рис. 1.24. Учет состояния пути в АСУ:

АПВО — анализ, планирование и выполнение «окон»; ЕКС — единая комплексная система управления и обеспечения безопасности движения на тяговом подвижном составе

Общий контроль исправности производится автоматически, периодически или по запросу из центра управления. Обобщенные сведения передаются на корпоративный уровень управления в базу данных, если мы имеем единую систему мониторинга, т.е. данная структура позволяет наиболее быстро обеспечить переход к тем показателям комплексного коэффициента готовности, с которыми мы должны выходить на взаимодействие с различными структурами.

1.6. Расчет надежности невосстанавливаемых нерезервированных систем

В дальнейшем в качестве объекта, надежность которого требуется определить, будет рассматриваться некоторая сложная система S, состоящая из отдельных элементов (блоков), например, система автоматики или связи, построенная на реле или полупроводниковых элементах. Задача расчета надежности сложной системы состоит в том, чтобы определить ее показатели надежности, если известны показатели надежности отдельных элементов и структура системы, т.е. характер связей между элементами с точки зрения надежности [18–20].

Наиболее простую структуру имеет нерезервированная система, состоящая из n элементов, у которой отказ любого элемента приводит к отказу всей системы. В этом случае система S имеет логически последовательное соединение элементов (Э) (рис. 1.25, а). Пусть отказы элементов есть независимые друг от друга события. Так как система работоспособна, если работоспособны все ее элементы, то, согласно теореме об умножении вероятностей, вероятность безотказной работы системы Pс(t) равна произведению вероятностей безотказной работы ее элементов

n
Pс (t) = p1 (t)p2 (t)...pn (t) = ∏ pi (t) ,	(1.41)

i=1

где pi (t) — вероятность безотказной работы i-гo элемента.

а)

б)

S

Э0

Э1

Эm

Рис. 1.25. Схемы логического соединения элементов

Пусть для элементов системы справедлив экспоненциальный закон надежности (1.16) и известны их интенсивности отказов. Тогда и для всей системы справедлив экспоненциальный закон надежности:

	n
n	−t∑λi
Pс (t) = ∏e−λit = e	i=1	= e−λсt ,	(1.42)

i=1

где λс — интенсивность отказов системы.

35

Интенсивность отказов нерезервированной системы равна сумме интенсивностей отказов ее элементов,

т.е.

n

λс = ∑ λi . (1.43)

i=1

Частота отказов и средняя наработка до отказа нерезервированной системы соответственно:

αс (t) = λсe−λсt ; Tс = 1 .

λс

Расчет надежности невосстанавливаемых резервированных систем

В резервированной системе отказ какого-либо элемента необязательно приводит к отказу всей системы. Типичным случаем является логически параллельное соединение элементов (рис. 1.25, б), при котором система отказывает тогда, когда отказывают все ее элементы. Такой тип резервирования называют постоянным или нагруженным m-кратным резервированием. В этом случае все элементы выполняют одну и ту же функцию, работают одновременно и равнонадежны. По теореме умножения вероятностей имеют место следующие выражения:

Qc (t) = q0 (t)q1 (t)...qm (t) = qm+1 (t) ;

Pc (t) = 1− Qс (t) = 1− qm+1 (t) = 1−[1− p(t)]m+1 ,

где q(t), p(t) — соответственно вероятности отказа и безотказной работы одного элемента. Если для элементов справедлив экспоненциальный закон надежности, то

Pc (t) = 1− (1− e−λt )m+1 .

(1.44)

1.7. Показатели безопасности технических объектов

При разработке новых устройств и элементов в технической документации указываются их основные показатели безопасности. Вид показателей зависит от характера работы системы, ее структурных свойств и от того, является ли система восстанавливаемой или невосстанавливаемой. Используются количественные и качественные показатели безопасности [18, 19].

Количественные показатели характеризуют безопасность непосредственно с помощью некоторых числовых величин. Качественные показатели дают косвенную оценку безопасности.

Количественные показатели безопасности делятся на детерминированные и вероятностные. Детерминированные показатели обычно выражаются физическими величинами или отношением этих величин.

Например, безопасность многоканальной резервированной аппаратуры может оцениваться числом каналов, отказы которых приводят к опасным ситуациям. К детерминированным относятся показатели, оценивающие работу предприятий железнодорожного транспорта (абсолютное количество крушений, аварий, случаев брака и отношение этих случаев к технической оснащенности). Причем эти показатели могут рассчитываться относительно времени или объема работ. Детерминированным показателям присущ ряд недостатков. Эти показатели не отражают вероятностную природу процессов эксплуатации и обслуживания систем, имеют обычно ограниченную область применения и носят частный характер. Они не могут быть определены «a priori» аналитическими методами при разработке систем.

Наиболее адекватно оценивают безопасность вероятностные количественные показатели, которые определены в ОСТ 32.17–92. Они имеют общий характер (применяются для любых систем, элементов и устройств) и могут определяться экспериментально, расчетным путем или с помощью моделирования. В табл. 1.3 приведены основные вероятностные показатели [20].

Таблица 1.3

	Обозначение показателей
Обозначение	Название показателя
Pб(t)	вероятность безопасной работы
Qоп(t)	вероятность опасного отказа
λоп(t)	интенсивность опасных отказов
Топ	средняя наработка до опасного отказа
ωоп(t)	параметр потока опасных отказов
Тбср	средняя наработка на опасный отказ
Кб	коэффициент безопасности

Наработка до опасного отказа — наработка невосстанавливаемой системы от начала ее эксплуатации до возникновения первого опасного отказа.

Средняя наработка до опасного отказа Топ — математическое ожидание наработки невосстанавливаемой системы до первого опасного отказа.

36

Вероятность безопасной работы Pб(t) — вероятность того, что в пределах заданной наработки t опасный отказ системы не возникает. При этом предполагается, что в начальный момент интервала времени t система находится в исправном или работоспособном состоянии, но не находится в защитном состоянии. Это предположение естественно, так как не имеет смысла оценивать безопасность системы, которая в начальный момент времени неработоспособна.

Pб (t) = 1− Fоп (t) ,

(1.45)

где Fоп(t) — функция распределения наработки до опасного отказа. Вероятность опасного отказа Qоп(t) — вероятность того, что в пределах заданной наработки опасный отказ наступает хотя бы один раз

Qоп (t) = Fоп (t) = 1− Pб (t) .

(1.46)

Величины Pб(t) и Qоп(t) оценивают безопасность невосстанавливаемой системы до возникновения первого опасного отказа. При этом считается, что защитных отказов не было, поскольку при возникновении защитного отказа система больше не используется по назначению. Так как опасные отказы редки, то показатели Pб(t) и Qоп(t) удобно использовать и для оценки безопасности восстанавливаемых систем. В этом случае величины Pб(t) и Qоп(t) есть соответственно нижняя и верхняя оценки для соответствующих показателей восстанавливаемых систем. Это объясняется тем, что при возникновении защитных отказов и последующем восстановлении системы надежность ее (а следовательно, и безопасность) в идеальном случае полностью восстанавливается.

Интенсивность опасных отказов λоп(t) — условная плотность вероятности возникновения опасного отказа невосстанавливаемой системы, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник.

Рассмотрим вероятностный смысл интенсивности опасных отказов (рис. 1.26, а). Пусть система проработала безотказно в течение времени t, т.е. не имела ни опасных, ни защитных отказов. Тогда

λ (t) =

dz(t)

,

(1.47)

оп dt

где dz(t) — условная вероятность опасного отказа системы за время dt в предположении, что система проработала безотказно за период времени (0, t).

Если известны функция распределения Fоп(t) и ее плотность распределения fоп(t), то

λ		(t) =	fоп (t)	.	(1.48)
	оп
			Pб (t)

Интенсивность опасных отказов — основная характеристика безопасности, с помощью которой рассчитывают остальные показатели. Статистически величину λоп (t) определяют в результате испытаний по формуле (рис. 1.26, б)

λ		(t) =	n(	t)	,	(1.49)
	оп
			Nср	t

где n (Δt) — число образцов системы, имевших опасный отказ за интервал времени t; Nср — среднее число работоспособных образцов системы, не имевших опасных отказов в интервале t (при условии, что образцы системы, которые имели защитный отказ, немедленно заменялись новыми).

Значение

N	ср	=	Ni+1 + Ni	.
		2

где Ni — число работоспособных образцов системы в момент времени t –

– t/2; Ni+1 — число работоспособных образцов системы, не имевших опасных отказов к моменту времени t + t/2.

а)

dt

t

tt + dt

б)

Рис. 1.26. Схемы расчета λоп (t)

Поскольку опасные отказы редки, то статистические эксперименты для определения величины λоп(t) необходимо проводить длительно, что практически невозможно. Реально в формуле (1.49) используют результаты наблюдений в процессе длительной эксплуатации системы. Поэтому достаточным условием для

37

вычислений по формуле (1.49) является то, что образцы системы, которые имели защитный отказ в интервале времени t, заменялись новыми, что и происходит при эксплуатации. Это условие в экспериментах, не связанных с эксплуатацией, можно было бы не ставить. Поэтому формула (1.49) дает верхнюю оценку вели-

чины λоп(t).

Безопасность восстанавливаемых систем характеризует параметр потока опасных отказов ωоп (t) — отношение математического ожидания числа опасных отказов восстанавливаемой системы за произвольно малую ее наработку к значению этой наработки. Статистически этот показатель определяют по результатам испытаний или эксплуатации по формуле (рис. 1.27)

ω (t) =	n(	t)	,	(1.50)
оп	N0	t

где N0 — число образцов системы, поставленных на испытание в момент времени t – t/2; n (Δt) — число образцов системы, имевших опасный отказ в интервале времени t при условии, что образцы системы, которые имели опасный или защитный отказ, немедленно заменялись новыми (таким образом, в течение всего интервала времени t работает N0 образцов системы).

Рис. 1.27. Схема расчета ωоп (t)

Средняя наработка на опасный отказ Тбср — отношение суммарной наработки восстанавливаемой системы к математическому ожиданию числа опасных отказов в течение этой наработки.

Коэффициент безопасности Кб — вероятность того, что система окажется в работоспособном или защитном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение системы по назначению не предусматривается.

Этот коэффициент является комплексным показателем безопасности системы, который учитывает ее безотказность, безопасность и ремонтопригодность. При работе восстанавливаемой системы (рис. 1.28) наблюдается поток событий, состоящий из защитных (1), опасных (2) отказов и моментов восстановления

(3). Время работы системы складывается из интервалов времени безотказной работы (3–1), интервалов времени восстановления после защитных отказов (1–3) и интервалов времени восстановления после опасных отказов (2–3). На рис. 1.28 заштрихованные области соответствуют времени, когда система не имеет опасных отказов.

Рис. 1.28. Вероятностное представление Кб

Величина Кб — вероятность того, что произвольно выбранный момент времени t находится в заштрихованной области

Kб =	Tбср		,	(1.51)
	T	+T
	бср	вср

где Tвср — среднее время восстановления.

Кроме перечисленных основных вероятностных показателей с различными функциями возможно применение некоторых модификаций стандартизированных показателей. Примером таких модификаций могут служить следующие вероятности: безопасной работы за поездку (рейс); сохранения безопасного интервала между поездами; опасного искажения ответственной команды в телемеханическом канале связи и другие (ОСТ 38.12–92. Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики. Выбор и общие правила нормирования показателей безопасности) [18].

2.НАДЕЖНОСТЬ РЕЛЬСОВОГО ХОЗЯЙСТВА

2.1.Современное техническое состояние рельсового хозяйства

Технический прогресс на железнодорожном транспорте тесно связан с повышением эксплуатационной надежности основных элементов верхнего строения пути — железнодорожных рельсов. Их недостаточная работоспособность требует частой замены и ремонта, вызывает задержки в движении поездов, создает значительные организационные трудности. Для обеспечения безопасности движения и повышения рентабель-

38

ности перевозок необходимо исключить внезапные отказы в виде аварийно опасных изломов рельсов, максимально повысить износостойкость контактирующих поверхностей. Создание рельсов, полностью удовлетворяющих современных требованиям железнодорожного транспорта, составляет основу этой проблемы.

Уже сегодня объем грузовых перевозок превышает 1,4 млрд т в год, а к 2030 г. грузооборот увеличится в 1,7 раза, что требует значительного повышения ресурса рельсов. Если сегодня ресурс рельсов отечественного производства, уложенных на прямых участках пути, составляет 600–800 млн т бр., то в новых условиях эксплуатации он должен быть повышен до 1500 млн т бр. Если сегодня ресурс рельсов, уложенных в пологих кривых, составляет 300–500 млн т бр., то его необходимо повышать до 1000 млн т бр. И наконец, в крутых кривых ресурс рельсов должен быть повышен со 150–250 до 500 млн т бр. [21].

Стратегические ориентиры в пассажирских перевозках обусловливают необходимость значительного увеличения маршрутной скорости движения пассажирских поездов во многих регионах России и сооружения высокоскоростных линий. Это требует от металлургической промышленности освоения производства рельсов, по которым можно ездить со скоростями 250–350 км/ч. При этом для уменьшения числа сварных швов необходимо перейти от использования рельсов длиной 25 м к рельсам длиной 50–100 м. Это позволит в 2–4 раза сократить количество сварных стыков в бесстыковом пути, что заметно повысит его надежность. К моменту, когда металлурги освоят производство 50–100 метровых рельсов, на железных дорогах нужно решить вопросы их транспортировки, разгрузки, переоборудовать рельсосварочные поезда для сварки рельсов такой длины. Экономическая эффективность этих мероприятий подтверждена расчетами.

Первое десятилетие XXI в. характеризуется благоприятной тенденцией усиления путевого хозяйства: возросла доля протяженности главных путей с рельсами Р65 в термоупрочненном состоянии, бесстыкового пути, главных путей с тяжелым (щебеночным) балластом, уменьшилось удельное число дефектных рельсов

впути и рельсов на путях I и II классов с перепропущенным сверх нормативов тоннажем. С 1991 г. сохраняется тенденция снижения средней бальности пути. Из отрицательно влияющих на работу рельсов в пути факторов необходимо в первую очередь отметить возрастание с 1998 г. средней грузонапряженности глав-

ных путей Гср. Увеличение средней погонной массы рельсов главных путей m практически уже исчерпано, так как из-за прекращения выпуска рельсов типа Р75 постоянно уменьшается полигон их эксплуатации. С другой стороны, полигон сети с рельсами типа Р50 и легче также уже сократился примерно до 6 тыс. км.

Поэтому с 1998 г. начался рост нагруженности рельсов главных путей, оцениваемый отношением Гср/m. Это отношение к 2005 г. возросло в 1,6 раза.

Для эксплуатации главного пути без массовых ограничений скорости необходимо, чтобы доля лежащих

впути дефектных рельсов и стрелочных переводов не превышала 1 %, а деревянных шпал и брусьев — 5 %. В настоящее время по рельсам этот параметр превышен на 0,14 %, по стрелочным переводам на 7,8 %, по деревянным шпалам и брусьям — на 6,8 и 3,2 % соответственно.

Интенсивность работы пути в 2008 г. соответствовала грузонапряженности 1992 г. (29,7 млн т км бр./км

вгод). При этом за 15 лет существенно изменились и условия эксплуатации. Так, вес грузового поезда увеличился на 509 т, динамическая нагрузка груженого вагона на 5 т, техническая скорость — на 3,3 км/ч, а среднегодовые объемы капитальною ремонта с использованием новых и старогодных материалов, а также среднего ремонта снизились на 25 % (рис. 2.1).

39

а)

Грузонапряжённость,	млнт бр.	40	1993	1995	1997			1999	2001	2003	2005
		1991
		35
		30
		25
		20
		15
							Годы
б)		90
		80
	процент	70
		60
		50
	путей,	40
		30
	Доля	20
		10
		0
		1991	1993	1995	1997	Годы		1999	2001	2003	2005
				с термоупрочнёнными рельсами
				бесстыкового пути
				с переслужившими рельсами
				с гравийным и щебёночным балластом

Рис. 2.1. Технические состояние главных путей сети железных дорог: а — по грузонапряженности; б — по параметрам ВСП

За счет повышения мощности пути, увеличения объема его ремонта за последние годы удалось:

–уменьшить количество неудовлетворительных километров, ограничений скорости;

–снизить количество дефектных рельсов до 118,1 тыс. шт. (в 2006 г. — 136,3 тыс. шт.). Вместе с тем при росте грузонапряженности наблюдается снижение выхода остродефектных рельсов до 53,7 тыс. шт. (2006 г. — 55,4 тыс. шт.). При этом число изломов снизилось с 113 до 77 шт.;

–уменьшить количество негодных деревянных шпал, лежащих на главных путях, за счет их замены как при ремонтах пути, так и текущем содержании. Процент негодности деревянных шпал на конец 2007 г. составил 11,8 % (2006 г. — 12 %).

В 2007 г. на железных дорогах РФ было изъято свыше 125 тыс. дефектных рельсов, из них 50 тыс. остродефектных. На приобретение и замену вышедших из строя рельсов ОАО «РЖД» затратило более 6 млрд р.

В связи с этим крайне актуальной остается задача повышения ресурса рельсов и снижения расходов железных дорог на их замену. Также остается острой проблема обеспечения безопасности движения поездов. В 2007 г. на сети 77 рельсов сломались под колесами подвижного состава, что совершенно недопустимо.

Незначительные по объему закупки японских и канадских рельс для российских железных дорог были полезны для создания реальной конкурентной среды, наглядно продемонстрировав более высокое качество

идвукратный выигрыш в сроке службы при полигонных испытаниях на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа. Были заметно ускорены работы на отечественных металлургических комбинатах по повышению прямолинейности рельсов, что способствовало выпуску рельсов для совмещенного скоростного движения [21].

Рельсы импортного производства заметно превосходят отечественные по геометрическим параметрам за счет меньших отклонений от прямолинейности концов по всей длине, точности изготовления профиля, а также и по чистоте стали благодаря меньшему содержанию кислорода и неметаллических включений.

Теперь уже ясно, что без коренной реконструкции отечественного рельсового производства невозможно существенно повысить работоспособность рельсов. Необходимо оснастить металлургические комбинаты новым оборудованием и внедрить новые прогрессивные технологии.

Разнообразие эксплуатационных условий на РЖД определяет потребность железнодорожного транспорта в рельсах различных категорий. Так, при повышении скорости движения до 160 км/ч на ряде направлений необходимы рельсы для скоростного совмещенного движения (СС). Они должны обладать как повышенной прямолинейностью, так и достаточно высокой контактно-усталостной прочностью и износостойкостью [22].

В настоящее время ОАО «НТМК» и ОАО «НКМК» поставляют термоупрочненные рельсы типа Р65 четырех основных качественных категорий: Т1, НК (НЭ), СС и И. Рельсы категории Т1, выпускаемые по ГОСТ Р 51685-2000 [37], — наиболее массовый вид. Рельсы низкотемпературной надежности из конвертор-

40

ной стали (НК) изготавливает НТМК, из электростали (НЭ) — НКМК, для скоростного пассажирского совмещенного с грузовым движением (СС), а из заэвтектоидной стали для наружных нитей кривых (И), обладающие повышенной износостойкостью и контактной выносливостью.

2.2.Анализ работы рельсов типа Р65

вэксплуатационных условиях

Для оценки эксплуатационной стойкости был выполнен анализ ведомостей учета изъятия рельсов ПУ-4. Анализом охвачены полигоны сети с различной грузонапряженностью.

В соответствии с распоряжением ОАО «РЖД» № 2132р от 9 ноября 2007 г. ВНИИЖТ разработал формы, а ВНИИАС должен подготовить программное обеспечение для автоматизированного формирования анализа эксплуатационной надежности рельсов на основе сведений, содержащихся в базе данных АСУ П. Начиная с отчета за 2008 г. существующая на бумажных носителях форма ПУ-4 отменяется. За 2007 г. формы ПУ-4 службы пути еще должны направляться в рельсовую лабораторию ВНИИЖТ, но одновременно с ВНИИАС будет отрабатывать внедрение электронной версии ПУ-4 «Ведомость учета рельсов, снятых с главных путей по изломам, порокам и повреждениям».

Результаты статистического анализа одиночного изъятия термоупрочненных рельсов Р65 из звеньевого пути получены на полигоне главных путей протяженностью примерно 24 тыс. км, а из бесстыкового — 19,8 тыс. км. Нетермоупрочненные рельсы в анализ не включены [22].

Анализ отказов рельсов на сети дорог за 2006 г.

На срок службы рельсов влияет две группы факторов. Первая группа связана с тем, что продолжали улучшаться условия эксплуатации: протяженность пути на щебеночном балласте увеличилась за год на 1500 км, а бесстыкового пути — на 2800 км; с 9,8 до 11,2 тыс. км возрос полигон сети на железобетонных шпалах с упругими скреплениями ЖБР и АРС. Вследствие этих мер, а также потому, что начиная с 2000 г. Нижнетагильский и Новокузнецкий меткомбинаты перешли на производство рельсов из непрерывнолитых заготовок, в 1,5 раза по сравнению с 2001 г. снизилось количество дефектных рельсов в пути. Удельные отказы по всем дефектам уменьшились с 32,2 до 31,1 шт. на 1 млрд т км бр. Средняя наработка изымаемых по дефектам рельсов увеличилась за последние 7 лет — в 1,5 раза — с 300-350 до 500–600 млн т бр. груза.

Вторая группа — негативные факторы. Это прежде всего ужесточение условии эксплуатации рельсов, связанное с ростом грузонапряженности и предъявляющее повышенные требования к их контактной выносливости. В среднем на главных путях грузонапряженность возросла в 2006 г. по сравнению с 2005 г. на 4,7 % — с 29,9 до 31,2 млн т км бр./км в год. Снизилась доля менее нагруженных путей, в то же время протяженность наиболее деятельных первого класса повысилась с 43,2 до 45,3 тыс. км.

Несмотря на снижение в 2006 г. на 11 % по сравнению с 2005 г., удельный выход остродефектные, рельсов остался высоким — 11,5 шт. на 1 млрд т км, что на 26 % выше, чем в 2001 г., и составил 37 % всех отказов рельсов по дефектам.

До сих пор недопустимо высок выход из строя рельсов до гарантийной наработки. Так, после пропуски 100 млн т бр. доля отказов в звеньевом пути составляет: НКМК — 2,3 %, НTMK — 1,15 %, а в бесстыковом соответственно 3,98 % и 0,88 %. Ежегодные потери от преждевременного изъятия рельсов из пути могут достигать 200 млн р. в год. Это свидетельствует о недостатках в соблюдении технологии как производства рельсов, так и текущего содержания пути.

Втабл. 2.1 приведены основные результаты, полученные при анализе отказов рельсов по данным их изъятия за 2006 г. по формам ПУ-4.

При пропуске 250, 500 и 750 млн т бр. груза с увеличением наработки удельные отказы рельсов существенно возрастают, хотя и в меньшей степени, чем сам тоннаж. Так, в звеньевом пути рост отказов рельсов НТМК происходит в соотношении 1:1,73:2,36, НКМК — 1:1,79:2,07, а в бесстыковом соответственно 1:1,62:2,43 и 1:1,70:2,24.

Как из звеньевого, так и из бесстыкового пути рельсы изымаются в основном по дефектам 21, 17, 10, 30Г (31), 26.3. При этом в звеньевом пути наибольшая доля удельных отказов рельсов НТМК приходится на дефекты 21 (до 10 шт./100 км пути в год), 10, 17 и 31 (около 8 шт.), а рельсов НКМК соответственно по дефектам 17 (13 шт./100 км), 10 (около 10 шт.) и 21 (8 шт.).

Вбесстыковом пути рельсы повреждаются существенно меньше, чем в звеньевом (рис. 2.2). Так, даже наибольшая доля отказов по дефекту 21 ниже 5–6 шт./100 км. Из сравнения диаграмм видно, что преимущество рельсов НКМК в основном заключается в меньших удельных отказах по дефектам 10, 17, 21 и 31.

Величины удельных отказов и долей отказов по отдельным дефектам или их группам — важный показатель работоспособности рельсов. Вместе с тем важнейшее значение имеет еще и наработка, при которой они выходят из строя.

41

а)

	6
км	5
	4
n , шт./100
	3
	2
	1
	0
	10	11	14	17	21	26.3	31	53
				Вид дефекта

б)

	8
км	7
	6
, шт./100	5
	4
	3
	2
n
	1
	0
	10	11	14	17	21	26.3	31	53
				Вид дефекта
		250 млн. т бр.		500 млн. т бр.		750 млн. т бр.

Рис. 2.2. Удельные отказы n термоупрочненных рельсов типа Р65

вбесстыковом пути в 2006 г.

Втабл. 2.1 приведены данные об отказах термически упрочненных рельсов Р65 в 2006 г. по наиболее характерным дефектам, которые в сумме составляют 70–80 % всех повреждений. Отметим, что наработка рельсов НТМК больше, чем рельсов НКМК на 10 % и звеньевом и на 38 % в бесстыковом пути. Это может быть связано с тем, что рельсы НКМК преимущественно эксплуатируются в более сложных условиях и к тому же бесстыковая конструкция с этими рельсами более «молодая», чем с рельсами НТМК. Коэффициент

вариации VТ (отношение среднего квадратического отклонения к среднему значению тоннажа отказов) составляет от 43 до 50 %, что свидетельствует о значительном разбросе тоннажа как из-за различий в качестве рельсов, так и из-за разнообразия условии их эксплуатации.

42