Цикл статей:
Глава 1 – Выбор конструкции верхнего строения пути для железнодорожных линий в условиях малой интенсивности перевозочного процесса
Глава 2 – Разработка и выбор перспективного варианта облегченной конструкции пути
Глава 4 – Технико-экономический анализ работы облегченной конструкции пути
Введение
Актуальность темы исследования
Условия эксплуатации на различных направлениях железнодорожной сети могут иметь существенные отличия. При аналогичном плане, профиле, климате направления может существенно различаться структура перевозок (осевые нагрузки, длины поездов) и их интенсивность. Любой из перечисленных эксплуатационных факторов способен оказывать заметное влияние на выбор конструктивных решений прежде всего верхнего строения пути, как наиболее нагруженной части путевой инфраструктуры. Как следствие, не существует какого-то единственного конструкционно-технического решения по устройству пути, поскольку перечень возможных решений многообразен. Сравнительный анализ мощности конструкции пути и эксплуатационных условий работы путевого хозяйства АО «Узбекистон темир йуллари», далее АО «УТЙ», показал, что существуют отдельные участки, где эксплуатационная нагруженность не столь значительна, а применение на таких участках типовой конструкции пути с эпюрой шпал 1840 (2000 шт./км) и толщиной балластного слоя 40 см может привести к недоиспользованию ресурса конструкции пути, что экономически нецелесообразно. В связи с этим, актуальным является проведение комплексного исследования связи конструкционно-технических параметров железнодорожного пути, применяемых на железных дорогах Узбекистана, с показателями ресурса и надежности в различных эксплуатационных условиях.
Степень разработанности темы исследования
Вопросам, связанным с оптимизацией конструкции пути и его элементов, и расчетам сил взаимодействия экипажа и пути, посвящены работы многих ученых. В их числе следует отметить: А. Я. Когана, М. Ф. Вериго, Ю. С. Ромена, С. П. Першина, В. А. Виноградова, В. М. Ермакова, В. И. Новаковича, Н. П. Виногорова, Е. М. Бромберга, В. В. Ершова, В. П. Бельтюкова, О. А. Суслова, А. В. Савина, Д. В. Овчинникова и др.
Изученный автором опыт позволил обосновать рациональное применение облегченных конструкций пути по конкретным эксплуатационным условиям.
Объектом исследования является конструкция железнодорожного пути.
Предметом исследования является методический инструментарий оценки эффективности технических решений, надежности и стоимости жизненного цикла верхнего строения пути в заданных условиях эксплуатации.
Целью работы является обоснование выбора параметров устройства облегченной конструкции пути со шпалами ВГ70 и скреплениями Pandrol Fastclip, учитывающей эксплуатационные условия работы АО «Узбекистон темир йуллари».
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- анализ ранее выполненных работ по тематике исследования;
- расчеты для определения наиболее перспективных вариантов устройства облегченной конструкции;
- исследование силового воздействия от подвижного состава при обращении его по облегченной конструкции;
- прогнозные расчеты накопления расстройств и отказов при эксплуатации облегченной конструкции пути;
- расчеты экономической целесообразности применения облегченной конструкции.
Научная новизна
Получен модуль упругости конструкции пути со шпалами ВГ70 и скреплениями Pandrol Fastclip при типовой и облегченных вариантах конструкции.
Получены зависимости сил взаимодействия пути и подвижного состава с учетом применения облегченной конструкции пути.
Получены степенные коэффициенты к функции аппроксимации кривой надежности для отказа или выхода из строя элементов верхнего строения пути со шпалами ВГ70 и скреплениями Pandrol Fastclip.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы заключается в разработке модели расчета модуля упругости конструкции пути и расчета взаимодействия конструкции пути и подвижного состава, а также технико-экономической модели обоснования и
6 выбора облегченной конструкции со шпалами ВР70 и скреплениями Pandrol Fastclip.
Практическая значимость работы заключается в определении значений модуля упругости конструкции пути со шпалами ВР70 и скреплениями Pandrol Fastclip и в определении сферы применения облегченных конструкций пути для эксплуатационных условий АО «УТЙ».
Методология и методы исследования
Методы исследования основаны на использовании комплекса теоретических и экспериментальных исследований, среди которых:
- современные приемы и методы разработки новых технических решений и технологий;
- численные методы расчета конструкций верхнего строения железнодорожного пути с помощью электронно-вычислительных машин с применением современных программных комплексов;
- экспериментальные методы исследования работы конструкций пути;
- методы анализа и сравнения результатов исследования.
Положения, выносимые на защиту:
- результаты расчетов модуля упругости конструкции пути со шпалами ВР70 и скреплениями Рапдго1 РаДНр и расчетов по выбору наиболее перспективного варианта облегченной конструкции ВСП;
- результаты расчета силового воздействия на облегченные конструкции пути при обращении по ним подвижных единиц;
- зависимости степенных коэффициентов к функции аппроксимации кривой надежности для отказа или выхода из строя элемента верхнего строения пути с шпалами ВР70 и скреплениями Pandrol Fastclip;
- результаты расчета прогнозирования отказов и технико-экономических показателей применения облегченных конструкций пути.
Степень достоверности и апробации результатов исследования
Научные положения, результаты исследования, выводы и рекомендации подтверждаются результатами ранее выполненных исследований, применением адекватного математического аппарата, хорошей сходимостью результатов расчетов и данных эксплуатационных наблюдений.
Апробация работы
Основные результаты исследований были доложены и обсуждены:
- на Всероссийской научно-практической конференции творческой молодёжи с международным участием «Научно-техническое и социально-экономическое развитие транспорта и промышленности стран АТР» (ДВГУПС, Хабаровск, 2022 г.);
- на международной научно-технической конференции «Железнодорожный подвижной состав: проблемы, решения, перспективы» (ТГТУ, Ташкент, 2022 г.);
- на международной научной конференции аспирантов и молодых учёных «Железная дорога: путь в будущее» (АО «ВНИИЖТ», Москва, 2022 г.);
- на Научном семинаре кафедры «Инженерия железных дорог» Ташкентского государственного транспортного университета (ТГТУ, Ташкент, 2022 г.).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 5 работ, из них 2 работы опубликованы в рецензируемых научных изданиях.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация изложена на 137 страницах основного текста, содержит 46 рисунков, 45 таблиц, 2 приложение, список использованных источников из 142 наименований.
Обзор и анализ литературы по вопросу исследования
Анализ эксплуатационных условий и конструкций
верхнего строения пути, применяемых на АО «УТЙ»
В соответствии со Стратегией действия по развитию Республики Узбекистан [1] разработана стратегия развития железнодорожного транспорта Республики [2].
Целями Стратегии развития железнодорожного транспорта являются формирование и непрерывное развитие железнодорожной отрасли как неотъемлемой части экономики Узбекистана, увеличение транспортнотранзитного потенциала страны, повышение уровня локализации продукции, проведение согласованной политики транспортного и технического регулирования, обеспечение безопасности, повышение комфортности и надежности движения поездов, повышение инвестиционной привлекательности железнодорожного транспорта [2].
Развитие инфраструктуры путевого хозяйства компании предусматривает:
- строительство новых железных дорог и реконструкция существующих линий;
- строительство новых и реконструкция существующих раздельных пунктов;
- использование современных материалов и конструкций;
- развитие и внедрение инновационных технологий.
Стратегическим направлением развития путевого хозяйства АО «УТЙ» является комплексное решение вопросов по совершенствованию конструкции железнодорожного пути и максимальному продлению сроков службы отдельных элементов и деталей верхнего строения пути.
За период с 1991 по н. в. в Узбекистане проделана большая работа по формированию новых железнодорожных магистралей. «В 1994-2001 гг. построена новая железнодорожная линия Учкудук – Султануиздаг с
9 электрификацией, реконструированы линии Навои – Учкудук, Султонуиздаг – Нукус с электрификацией, которые послужили созданию железнодорожной линии Навои – Учкудук – Султануиздаг – Нукус протяженностью 341,6 км» [3].
«В 2003-2007 гг. построена железнодорожная линия Ташгузар – Бойсун – Кумкурган протяженностью 223 км, что стало важнейшим фактором развития социальной инфраструктуры южных регионов Республики» [4].
В 2009-2013 гг. построены новые с электрификацией участки Джизак – Янгиер, Янгиер – Фархад, Янгиер новая – Даштабад, Галляарал – Булунгур, Даштабад – Джизак, послужившие организации высокоскоростного движения на линии от Ташкента до Самарканда [5], на которых, на отдельных участках пути, скорость высокоскоростного электропоезда АГгомуоЬ достигает 250 км/ч.
В 2015 году была завершена электрификация примерно 140 км участка Мараканд – Карши [6], что позволило в вести высокоскоростной электропоезд «Афросиёб» в направлении Ташкент – Самарканд – Карши. В 2016 году начал курсировать высокоскоростной пассажирский поезд до Бухары.
В период с 2013 по 2016 гг. была построена новая уникальная железнодорожная линия Ангрен – Пап [7], создающая единую национальную железнодорожную сеть.
Уникальность новой электрифицированной железнодорожной линии состоит в том, что она пересекает гребень Кураминского хребта, проходя тоннелем под перевалом «Камчик». Протяженность тоннеля составляет 19,2 км.
«В 2017 году была введена в эксплуатацию новая железнодорожная линия Бухара – Мискен протяженностью 357,3 км.
В 2018 году была открыта новая линия между Ургенчем и Хивой протяженностью 33,8 км. Участок Карши – Китаб длиной 124 км был электрифицирован и реконструирован» [8].
Схема железных дорог Республики Узбекистан представлена на рисунке 1.1.
По состоянию на 01.01.2021 общая протяжённость эксплуатируемых железнодорожных линий по Республике Узбекистан составляет 7401,4 км [9], из них:
В зависимости от установленных скоростей движения поездов и грузонапряженности железнодорожные линии АО «УТЙ» классифицируются в соответствии с [10, 11, 12].
Требования к конструкциям пути установлены в [11, 12, 13].
Классификация главных железнодорожных путей АО «УТЙ» согласно [10] представлена в таблице 1.1, а требования к конструкциям бесстыкового пути на железобетонных шпалах – в таблице 1.2.
При сооружении земляного полотна используются скальные и глинистые грунты, лессовидные суглинки, супеси и пески мелкие (барханные) [13]. На основной площадке высокоскоростных и скоростных участков предусмотрено «устройство защитных слоев. Защитный слой выполняется из щебенисто- гравийно-песчаных смесей и при необходимости дополняется покрытиями из геотекстиля, пенополистирола, георешеток или геосеток. Толщина защитного слоя назначается расчетом исходя из выполнения требования обеспечения несущей способности нижележащих грунтов под действием нагрузки от подвижного состава» [14].
«Балластную призму устраивают из щебня с фракциями 25-60 мм или гравия на песчаной подушке. Толщина песчаной подушки 20 см» [13]. В качестве подрельсового основания преимущественно применяются железобетонные шпалы. На главных путях эксплуатируются шпалы типа Ш-1 со скреплениями КБ, уложенные до 2004 года. Начиная с 2004 года при новом строительстве и капитальном ремонте массово началась укладка шпал типа ВF70 (ВF7081) Pandrol Fastclip [15-19], существуют участки с данной конструкцией пути с эпюрой 1720 шт./км. Применение такой конструкции пути дает возможность создать плавный отвод ширины колеи в кривых участках пути [20].
Шпалы типа ВF70 (ВF708) производятся местным производителем в соответствии с требованиями [21]. На рисунке 1.2 представлена шпала типа ВF70 (ВF708), а в таблице 1.3 – технические характеристики шпалы.
Промежуточное рельсовое скрепление Pandrol Fastclip является разработкой компании Pandrol UK LTD (Великобритания). Промежуточное рельсовое
скрепление Pandrol Fastclip производится в соответствии с требованиями [22].
Технические характеристики скрепления Pandrol Fastclip, согласно [22], представлены в таблице 1.4. Общий вид скрепления Pandrol Fastclip представлен на рисунке 1.3.
В конструкции верхнего строения на главных путях в основном применяются рельсы типа Р65 категории В, Т1 и ДТ350СС (94,5% от общей протяженности главных путей), рельсы типа Р75 – 0,2%, Р50 – 5,3%, производства НКМК, НТМК и Азовсталь, кроме того, существуют опытные участки пути с рельсами производства Ниппон Стил и Фест-Альпине. Последние годы началась поставка рельсов из АРБЗ.
Типовые значения эпюры шпал, заложенные в нормативные документы, применяемые в путевом хозяйстве АО «УТЙ», в существующих условиях эксплуатации обеспечивают рациональный уровень нагруженности элементов пути и значения поперечной устойчивости рельсошпальной решетки, а также обеспечивают установленный уровень безопасности движения. Однако на отдельных участках сети, где нагруженность не столь значительна, таких как малодеятельные участки и участки с пониженным воздействием на путь (линии преимущественно пассажирского движения и пассажирские линии), применение типовых эпюр шпал 1840 и 2000 шт./км может привести к недоиспользованию мощности конструкции пути, что экономически нецелесообразно. Кроме того, не определены условия применения эпюры шпал 1720 шт./км.
Обзор исследований по вопросу методологии выбора технических
параметров конструкции железнодорожного пути
Одним из основных параметров, при прочих равных условиях, определяющих поперечную устойчивость рельсошпальной решетки, уровень нагруженности элементов верхнего строения пути и земляного полотна и, зависящую от нагруженности величину интенсивности выхода из строя этих элементов, является количество шпал на 1 км пути – эпюра шпал и толщина балластного слоя.
Вопросы работы пути при различных эпюрах шпал затрагивались в трудах многих ученых в разные времена, их исследования дали ясно понять, что актуальность данной проблемы останется еще надолго.
При разработке типов верхнего строения железнодорожного пути в послевоенный период перед специалистами ВНИИЖТа была поставлена задача установить такие эпюры шпал, при которых запас прочности во всех элементах верхнего строения – шпалах, балласте и на поверхности земляного полотна был бы не менее запаса прочности в рельсах. Исходя из этого, были рассчитаны напряжения в отдельных элементах верхнего строения при следующих условиях [23]:
- подвижная нагрузка – 27 т на ось при скорости 90 км/ч для паровоза ФД 1- 5-1 с добалластировкой при скорости 5 км/ч;
- рельсы типов 65 кг/пог. м и 50 кг/пог. м для нагрузки 27 т и рельсы типа 50 кг/пог. м и 1-у для паровоза ФД;
- эпюры шпал 1440, 1600, 1840 и 1920 шпал на 1 км;
- шпалы типов II – А и II – Б;
- балласт: щебень, гравий 1-го сорта, гравий 2-го сорта, крупнозернистый и среднезернистый песок.
Исходя из этих условий, были определены эквивалентные нагрузки, создающие в рельсах 100%-е напряжения, и по этим эквивалентным нагрузкам определены основные размеры всех элементов верхнего строения пути при условии также 100% их напряжения.
В результате подсчетов получено, что если не допускать перенапряжения ни в одном из элементов верхнего строения, то минимальными эпюрами могут быть:
- для перспективного паровоза с нагрузкой 27 т при рельсах весом 65 кг/пог. м – 1920 шпал на 1 км при балласте из щебня и гравия 1-го сорта;
- то же при рельсах 50 кг/пог. м – 1600 шпал на 1 км при балласте из щебня и гравия 1-го сорта и 1840 шпал при балласте из гравия 2-го сорта и ракушки;
- для паровоза ФД при рельсах весом 50 кг/пог. м – 1440 шпал на 1 км при гравии 2-го сорта и ракушке и 1920 шпал на 1 км при крупнозернистом песке;
- то же при рельсах Iу – 1400 шпал на 1 км при балласте из щебня, гравия 1-го сорта, гравия 2-го сорта и ракушки и 1600 шпал на 1 км при крупнозернистом песке.
Все остальные эпюры с меньшим количеством шпал на километр дают перенапряжение в балласте.
В то же время было установлено, что в кривых участках пути при радиусе менее 450 м должна применяться эпюра 2000 шпал на 1 км [23].
Доктор технических наук С. П. Першин в 1970 году опубликовал статью «О некоторых уточнениях основных схем статического расчета пути» [24], в которой отчетливо описал расчет пути по двум основным схемам: бесконечно длинная балка на сплошном упругом (линейно-деформируемом) основании и балка на многих упругих точечных опорах, при этом расчеты велись для пути с рельсами Р50 при эпюре 1840 шт./км. Затем расчеты были продолжены для пути с рельсами Р65. Они показали, что на пути с железобетонными шпалами при расчете балки на отдельных опорах имеет место рост нагрузок на шпалы. Позже этот вывод был подтвержден экспериментально. В 1980-х годах В. А. Виноградов [25] занимался исследованиями работы верхнего строения пути с железобетонными шпалами повышенной массы (длина – 2700 мм; ширина нижней постели по торцевому сечению 400 мм, а по среднему – 350 мм; высота подрельсовой части – 193 мм (213 мм); опорная площадь 9960 см2 (9948 см2); масса 350 кг (400 кг)). Данные шпалы укладывались на участке бесстыкового пути Среднеазиатской дороги с грузонапряженностью около 30 млн т/км в год с рельсами Р65. Шпалы опытной партии укладывались с эпюрой 1440 и 1600 шт./км, измерения проводились как на опытных, так и на типовых шпалах С-56-2. Через два года были выявлены резкие просадки пути под отдельными опытными шпалами.
Исследования В.М. Ермакова [26] направлены на оптимизацию конструкции верхнего строения пути в конкретных условиях эксплуатации. В.М. Ермаковым в результате комплексного анализа была разработана система ресурсосбережения в путевом хозяйстве с ранжированием по полигонам с различными условиями эксплуатации, включающая: оптимизацию использования конструкций ВСП (существующих и создаваемых вновь); внедрение качественно новых методов организации путевых работ; новую, в большей степени существующим условиям эксплуатации, градацию грузонапряженности при строгом соблюдении требований безопасности движения и повышения скоростей движения пассажирских поездов. Для линий с грузонапряженностью более 20 млн. т км бр./км в год и высоких скоростей разработан и внедрен комплекс решений, способствующих повышению надежности пути и сокращению затрат на его техническое обслуживание. Для участков с малой грузонапряженностью разработаны и внедрены: конструкция пути с комбинацией деревянных и железобетонных шпал и технология раздельного ремонта пути; экономичная конструкция двухблочной железобетонной шпалы; облегченные комплекты переводных железобетонных брусьев для основных типов и марок стрелочных переводов; система повторного использования материалов ВСП. Суммарный учтенный годовой эффект от внедренных разработок составил в 1999 г. более 28 млн. руб.
В [27] приводится сравнительный анализ рельсов Р65 и Р75 по влиянию их на прочность и устойчивость конструкции верхнего строения пути. Таким образом, рельсы Р65 имеют наименьшую жесткость по сравнению с рельсами Р75, по этой причине от колеса передаются более высокие величины контактного напряжения и динамической силы. При расчете по предельным состояниям следует учитывать и кромочные напряжения, однако они значительно меньше предела текучести рельса, тогда как контактные напряжения имеют более высокую величину, при этом значительно уменьшается срок службы рельсов [27]. Однако, следует учитывать, что тяжелые рельсы увеличивают давление на балласт под шпалами. Сравнивая напряжения на балластную призму от рельсов марок Р75 и Р65 по применяемой методике расчета, следует отметить, что различие между ними составляет 6%, тогда как несущая способность увеличиваются в несколько раз [27].
Влияние массы элементов верхнего строения пути на его работу широко изучена учеными РГУПСа [28-35]. По мнению авторов, основные качественные показатели (устойчивость, прочность, деформативность, надежность) достигаются «при оптимальной погонной массе рельсов и находятся в пределах 54…60 кг/м. Продольная устойчивость рельсошпальной решетки уменьшается в среднем на 20% с увеличением погонной массы рельса» [28], в зимний период времени это приводит к увеличению зазоров. По данной причине в [30, 33, 34] было внесено предложение применения на бесстыковом пути рельсов меньшей массы. Таким образом вместо рельсов Р65 было предложено применение рельсов Р58, так как они имеют аналогичную ширину подошвы, но наименьшую высоту. Данный путь решения дает возможность увеличить надежность и экономичность, так как при этом расход металла сокращается на 12%. При этом считается целесообразным применять облегченные железобетонные шпалы, что позволит уменьшить взаимодействие пути и подвижного состава [28]. Статистические расчеты и эксперименты показали, что чем выше масса шпалы, тем больше сопротивление вдоль оси пути и поперек горизонтальной плоскости. Зависимость значительно претерпевает изменения при учете воздействия поездов. При уменьшении массы железобетонных шпал соответственно снижаются энергетические затраты, увеличивается производительность труда, что приводит к снижению стоимости. В [28] приведены расчёты, показывающие, что масса шпал может достигать 1,5-1,6 кН. Проведенный эксперимент показал, что сопротивление балластного слоя сдвигу зависит от вязкости щебеночного балласта за счет скорости и формы перемещений, тогда как масса шпалы не оказывает должного влияния [35]. На основе проведенного эксперимента [35] авторы делают вывод, что сопротивление балласта сдвигу шпалами зависит не от массы шпалы, а от ее формы и скорости перемещения, т.е. от вязкости щебеночного балласта. Погонное сопротивление при необходимости можно увеличить уплотнением балласта динамическим стабилизатором пути, не затрачивая значительных средств на повышение массы подрельсовых опор. При этом следует учитывать, что промежуточные рельсовые скрепления должны создавать сопротивление сдвигу рельсов относительно шпал существенно большее, чем сопротивление самого балласта [35].
Виногоров Н. П. предположил, «что устойчивость рельсошпальной решетки зависит от трех ключевых факторов:
- сопротивления балласта;
- сопротивления изгибу рельсов в горизонтальной плоскости;
- сопротивления повороту рельсов в узлах скрепления» [36].
Продольная сжимающая сила при этом не учитывается. Е. М. Бромбергом и В. В. Ершовым были проведены эксперименты с одиночными шпалами, результаты которых были описаны в [36].
В работе [37] представлена оценка возможности применения «пассажирской» конструкции пути на выделенных пассажирских линиях для внутригородских и межрегиональных перевозок, испытывающей сложное нагружение по критериям допускаемого запаса прочности в среде конечноэлементного анализа – наиболее прогрессивного метода расчета конструкций. Представлены результаты расчетов напряженно-деформированного состояния железнодорожного пути различных конфигураций, в том числе перспективных облегченных вариантов с рельсами типа Р50 и железобетонными шпалами с подшпальными прокладками. На основании выполненных расчетов приведены рекомендации областей применения рассмотренных конфигураций пути с точки зрения допускаемых напряжений в его элементах. Для выделенных пассажирских линий рекомендована конструкция пути с рельсами типа Р50, с эпюрой укладки железобетонных шпал 1600 шт./км, с использованием подшпальных прокладок и с толщиной балластного слоя под шпалой 25-35 см.
Проведенные эксперименты за рубежом [38] тоже показывают, что с увеличением размера или массы элементов верхнего строения пути не улучшаются показатели, обеспечивающие устойчивость пути. Так в работе [39] были проведены испытания по определению сопротивления боковому сдвигу шпал типа В06Г8, основными отличиями которых от применяющихся В91, были повышенная площадь контакта с балластным слоем, большая масса и меньшая толщина. Полученные результаты в ходе испытания показали, что сопротивление боковому сдвигу шпал типа В06Г8 вполне сопоставимо с соответствующими характеристиками шпал В91. В работе [40] приведена методика выбора облегченной конструкции пути. Для обоснования возможных сфер применения такой конструкции, с учетом заданных условий эксплуатации, были выполнены расчеты напряженного состояния элементов пути и определены коэффициенты изменения интенсивности расстройств этих элементов при их эксплуатации в составе облегченных конструкций. Задачей расчетов являлось определение напряженно- деформированного состояния облегченной конструкции пути и определение характеристик изменения накопления расстройств в ее элементах по сравнению с типовой конструкцией. Для оценки напряженного состояния рельсошпальной решетки, с учетом поездопотока, были определены приведенные напряжения по формуле
В результате расчетов рекомендованы два вида облегченной конструкции пути для укладки на выделенных пассажирских линиях: на грунтах с высокой несущей способностью (скальные и песчаные грунты) – «звеньевой путь с рельсами Р65, железобетонными шпалами, скреплениями ЖБР-65Ш, с эпюрой шпал 1600 шт./км, толщиной балласта 15 см; на грунтах типа суглинок, супесь, тугопластичная глина -звеньевой путь с рельсами Р65, железобетонными шпалами, скреплениями ЖБР- 65Ш, с эпюрой шпал 1500 шт./км, толщиной балласта 25 см» [40].
Приведенная методика в работе [40] позволяет оценить первичные решения и ограничить выбор за счет отказа от однозначно неэффективных вариантов.
Обзор исследований по вопросу методологии технико-экономического
сравнения вариантов конструкции железнодорожного пути
Существуют разные методы определения эффективности внедрения новых технических решений. Традиционно эффективность внедрения новых технических решений определяется на основе сравнения эксплуатационных затрат в конкретной эксплуатационной ситуации при использовании новых и существующих технических решений [41-45].
Если сравниваемые варианты отличаются друг от друга только размерами потребных инвестиционных вложений и текущими затратами, то есть проекты, направленные на получение одинакового результата, где рассчитываются приведенные затраты, являющиеся частным случаем сравнительного интегрального эффекта [46]. Наиболее эффективное решение будет соответствовать минимуму приведенных затрат. Приведенные затраты определяются по формуле [46]:
Продолжительный жизненный цикл инновационных проектов является одним из главных показателей деятельности железнодорожного транспорта в современном мире, так как это повышает экономический эффект [46]. Стоимость жизненного цикла конструкции, как технической системы, является модификацией приведенных затрат, которая определяется в соответствии со следующей формулой (1.4):
В работе [47] А. В. Савиным была разработана методика оценки эффективности применения безбалластного пути. В отличии от традиционных методик, разработанная в работе [47] методика предусматривает учет влияния эксплуатационных расходов, определяемых на основе прогнозирования срока службы инновационной конструкции пути, на значимые показатели деятельности железнодорожного транспорта в период его эксплуатации. С помощью разработанной методики автор определил сферы рационального применения безбалластного пути.
Существуют различные методики прогнозирования, автором, одной из которых является В. П. Бельтюков. В литературе [48] рассмотрена комбинация, включающая в себя сбор и обработку данных, полученных с измеряемого участка, а также среднесетевых данных. Таким образом учитываются среднесетевое соотношение количества неисправностей от наработки, а также средние значения, полученные за время эксплуатации. В результате фактические значения дают возможность определить линейный тренд фактических значений неисправностей за предыдущие периоды, тогда как текущий тренд нарастания численности неисправностей показывает среднесетевые зависимости при аналогичных условиях эксплуатации. В результате полученных данных среднесетевого и местного трендов появляется возможность прогнозирования нарастания числа неисправностей на будущий эксплуатационный год.
На Австрийских железных дорогах применяется методика С 1е 1 ^РгорКе! как инструмент прогнозирования для определения периодов выполнения путевых работ по фактическому состоянию пути. Наличие подобных инструментов оценки дает возможность увеличить интервалы между планируемыми мероприятиями, необходимыми для обеспечения требуемого уровня качества пути [49].
О.А. Сусловым разработан перспективный подход к прогнозному моделированию деградационных процессов элементов верхнего строения пути. Затраты, связанные с владением и установкой путевой инфраструктуры, в данной методике определяются на основе моделирования накопления повреждений под нагрузкой различного типа и интенсивности. Модель деградации основана на характеристиках, которые не изменяются в течение анализируемого времени работы, и задается следующей зависимостью [50, 51]:
условиях эксплуатации. В результате полученных данных среднесетевого и местного трендов появляется возможность прогнозирования нарастания числа неисправностей на будущий эксплуатационный год.
На Австрийских железных дорогах применяется методика С 1е 1 ^РгорКе! как инструмент прогнозирования для определения периодов выполнения путевых работ по фактическому состоянию пути. Наличие подобных инструментов оценки дает возможность увеличить интервалы между планируемыми мероприятиями, необходимыми для обеспечения требуемого уровня качества пути [49].
О.А. Сусловым разработан перспективный подход к прогнозному моделированию деградационных процессов элементов верхнего строения пути. Затраты, связанные с владением и установкой путевой инфраструктуры, в данной методике определяются на основе моделирования накопления повреждений под нагрузкой различного типа и интенсивности. Модель деградации основана на характеристиках, которые не изменяются в течение анализируемого времени работы, и задается следующей зависимостью [50, 51]:
Тип элемента или узла влияет на переход от количества циклов нагружения к данным, получаемым с течением времени. Циклы нагружения следует рассматривать так же, как и прохождение одной оси, поезда или тележки подвижного состава.
Остаточный ресурс i-го узла/элемента рассчитывается по формуле:
Для разработки ТЭО необходимы данные по стоимости конструкции и эксплуатационным расходам. Данные по эксплуатационным расходам могут быть получены эмпирическим путем (наблюдения за работой объекта) или на основе прогнозных расчетов. Наиболее перспективный метод, позволяющий быстро получить результаты – это прогнозные расчеты с применением моделирования взаимодействия пути и подвижного состава, представленные в [50, 51].
Выводы
- Стратегическим направлением развития путевого хозяйства АО «УТЙ» является комплексное решение вопросов по совершенствованию конструкции железнодорожного пути и максимальному продлению сроков службы отдельных элементов и деталей верхнего строения пути.
- Типовые значения эпюры шпал, заложенные в нормативные документы, применяемые в путевом хозяйстве АО «УТЙ», в существующих условиях эксплуатации обеспечивают рациональный уровень нагруженности элементов пути и значений поперечной устойчивости рельсошпальной решетки, а также обеспечивают установленный уровень безопасности движения. Однако на отдельных участках сети, где нагруженность не столь значительна, таких как малодеятельные участки и участки с пониженным воздействием на путь (линии преимущественно пассажирского движения и пассажирские линии), применение типовых эпюр шпал 1840 и 2000 шт./км может привести к недоиспользованию мощности конструкции пути, что экономически нецелесообразно. Кроме того, не определены условия применение эпюры шпал 1720 шт./км.
- Задачи, связанные с оптимизацией (облегчением) конструкции пути и его элементов, актуально, и за прошлые годы многими учеными предложены разнообразные конструкции пути, учитывающие параметры элементов верхнего строения и эксплуатационные условия.
- Для выбора конструкции пути, в том числе облегченной, соответствующей реальным условиям эксплуатации, необходимо выполнить технический и экономический анализ предлагаемых вариантов решений, для чего должны быть предусмотрены следующие этапы:
- технический анализ влияния мощности конструкции пути на затраты по техническому обслуживанию и безопасность движения, по результатам которого определяются возможные варианты облегченной конструкции, отвечающие требованиям безопасности и экономической эффективности;
- на основе выбранных вариантов производятся детальные расчеты взаимодействия пути и подвижного состава с учетом особенностей работы облегченной конструкции пути;
- для проведения полного технико-экономического анализа необходимо построение прогнозной модели выхода из строя элементов облегченной конструкции пути на основе наблюдений в процессе ее натурной эксплуатации;
- по результатам полного технико-экономического анализа выбираются сферы применения облегченных конструкций верхнего строения пути.
Список литературы
- Указ Президента Республики Узбекистан от 07.02.2017 г. №УП-4947 «О мерах по дальнейшей реализации Стратегии действий по пяти приоритетным направлениям развития Республики Узбекистан в 2017-2021 годах». Собрание законодательства Республики Узбекистан №6(766) от 13.02. 2017 г. Статья 70.
- Стратегия развития АО «УТЙ» на период 2017-2019 годы [Электронный ресурс]. Режим доступа: 11Пр:/Лу\у\у.гаП\уау.11/т|/да/111</81га1ед1уага/\а11уаЛ
- Постановление Кабинета Министров Республики Узбекистан от 6.08.1993 г. №394 «О вопросах реконструкции и строительства новой железнодорожной линии Навои – Учкудук – Султануиздаг – Нукус» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: ЪИр://1ех.ихМос8/893037 (дата обращения: 18.02.2022).
- Постановление Кабинета Министров Республики Узбекистан от 24.01.2003 г. № 43 «Об ускорении строительства новой железнодорожной линии Ташгузар – Бойсун – Кумкурган» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: кйр8://1ех.ит/их/дос8/730701 (дата обращения: 18.02.2022).
- Постановление Президента Республики Узбекистан от 18.03.2009 г. № ПП-1074 «О комплексной программе развития и модернизации железнодорожной отрасли на 2009 – 2013 годы» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: Ъйр://1ех.ит/дос8/1506046 (дата обращения: 18.02.2022).
- Постановление Президента Республики Узбекистан от 21.12.2010 г. № ПП-1446 «Об ускорении развития инфраструктуры, транспортного и коммуникационного строительства в 2011-2015 годах» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: ЪИр8://1ех.ихМос8/1723487 (дата обращения: 18.02.2022).
- Постановление Президента Республики Узбекистан от 18.06.2013 г. №ПП-1985 «О мерах по организации строительства электрифицированной железнодорожной линии «Ангрен – Пап» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: Ъйр8://1ех.их/ас18/2756024 (дата обращения: 18.02.2022).
- Приказ председателя правления АО «УТЙ» от 14.05.2019 г. №577-Н «О введении в действие Классификации железнодорожных путей». – Ташкент: АО «УТЙ», 2019. – 6 с.
- КМК 2.05.01-96 «Железные дороги колеи 1520 мм. Нормы проектирования». – Ташкент. Госкомархитектстрой, 1998. – 98 с.
- Положение о системе ведения путевого хозяйства ГАЖК «Узбекистон темир йуллари», введенное в действие приказом № 70-Н от 09 ноября 1995 года.
- ВСН-450Н Ведомственные технические указания по проектированию и строительству. «Железные дороги колеи 1520 мм».
- ВСН 448-Н Инфраструктура высокоскоростной железнодорожной линии Ташкент – Самарканд. Общие технические требования. – Ташкент: ГАЖК «УТЙ», 2010. – 58 с.
- Овчинников, А.Н. Опыт применения упругих рельсовых скреплений на железных дорогах Республики Узбекистан / А.Н. Овчинников, А.Ф. Расулев, З.Т. Фазилова // Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство. – 2012. – № 5. – С. 73-77.
- Овчинников, А.Н. Вопросы внедрения на железных дорогах Узбекистана рельсовых скреплений последнего поколения типа РапсГо! Газ1сНр ГЕ / А.Н. Овчинников, А.Ф. Расулев, З.Т. Фазилова // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути: Труды XIV Международной научно-технической конференции. Чтения, посвященные памяти профессора Г.М. Шахунянца, Москва, 05-06 апреля 2017 года. – Москва: Московский государственный университет путей сообщения Императора Николая II, 2017. – С. 207-209.
- Овчинников, А.Н. Вопросы укладки шпал ВГ708 со скреплениями Рапс!го1 Газ^сНр в кривых малого радиуса / А.Н. Овчинников, А.Ф. Расулев, З.Т. Фазилова // Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство. – 2014. №7. – С. 23-28.
- Овчинников, А.Н. Исследование работы шпал ВГ708 в кривых малого радиуса [Текст] / А.Н. Овчинников, А.Ф. Расулев, З.Т. Фазилова // Путь и путевое хозяйство. – 2016. – №1. – С. 21- 22.
- Овчинников, А.Н. Оптимизация укладки и эксплуатации шпал ВГ708 в кривых малого радиуса [Текст] / А.Н. Овчинников, А.Ф. Расулев, З.Т. Фазилова // Путь и путевое хозяйство. – 2016. – №10. – С. 29-30.
- Эргашев, У.Э. Способ обеспечение отвода уширение ширины колеи в кривых радиусом менее 350 м / У.Э. Эргашев, Н.И. Бегматов // Известия Транссиба / Омский гос. ун. путей сообщение. Омск. – 2017. – №1(29). – С. 112118.
- О’Ю81 1^ 13230-1, 2: 2003. Шпалы и брусья бетонные для применения на железнодорожных путях. Ташкент, Государственный комитет РУз по архитектуре и строительству. 2003.
- 1^ 13481-2012. Железнодорожный транспорт. Железнодорожные пути. требования к рабочим характеристикам крепежных систем.
- Эпюры шпал к новым типам верхнего строения. Труды ВНИИЖТ. Вып. 12. 1947. – С. 104-106.
- Першин, С.П. О некоторых уточнениях основных схем статического расчета пути. // Вестник ЦНИИ МПС. – 1970, № 5. – С. 18-20.
- Виноградов, В.А. Исследования работы железобетонной шпалы при вибрации на основании, обладающем “распределяющей” способностью. Межвуз. сб.трудов Ташкентского института инженеров железнодорожного транспорта, 1980, вып. 164/11, С. 44-48.
- Ермаков, В.М. Комплексная система реализации ресурсосбережения в современных условиях работы железнодорожного пути: дис. д-ра техн. наук: 05.22.06 / В.М. Ермаков. – Москва, 2000. – 289 с.
- Железнодорожный транспорт: энциклопедия / гл. ред. Н. С. Конарев. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. – 559 с.
- Новакович, В.И. Перспективы совершенствования конструкции верхнего строения железнодорожного пути / Труды РГУПС. 2016. № 4 С. 65-69.
- Новакович, В.И. Об оптимальной мощности конструкции верхнего строения пути / В сборнике: Транспорт-2005. труды Всероссийской научнопрактической конференции: в 2 частях. Ростовский государственный университет путей сообщения. 2005. С. 115.
- Новакович, В.И. Об избыточной мощности современной конструкции верхнего строения железнодорожного пути / В.И. Новакович // Наука и транспорт. – СПб.: НП Принт, 2006. – С. 29-31.
- Новакович, В.И., Способствует ли большая массивность элементов верхнего строения пути повышению его надежности? / Г.В. Карпачевский, Н.И. Залавский // Путь и путевое хозяйство. 2021. № 4. С. 26-28.
- Новакович, В.И. Конструкции верхнего строения пути, обеспечивающие повышенную безопасность движения / Путь и путевое хозяйство. 2019. № 11. С. 20-22.
- Новакович, В.И. Необходимо начать переход от рельсов Р65 к Р58 / Н.И. Залавский, Г.В. Карпачевский, Л.А. Кармазина, А.С. Хадукаев, Н.С. Хадукаев // В сборнике: Современное развитие науки и техники. Сборник научных трудов Всероссийской национальной научно-практической конференции. 2017. С. 152155.
- Новакович, В.И. Необходимо забыть о рельсах Р75 и перейти от Р65 к Р58 / Н.И. Залавский, Г.В. Карпачевский, М.В. Новакович, Л.А. Кармазина, В.В. Карпачевский // Путь и путевое хозяйство. 2017. № 7. С. 21-23.
- Новакович, В. И. Влияет Ли масса шпалы на сопротивление сдвигу в балласте? / В. И. Новакович, Е. В. Мироненко, Н. А. С. Хадукаев // Путь и путевое хозяйство. – 2020. – № 3. – С. 34-37. – Е1 А’ Т/Л’К/А.