СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Рощин Дмитрий Александрович

канд. техн. наук, старший научный сотрудник, Научно-исследовательский испытательный центр Железнодорожных войск,

РФ, г. Москва

COMPARATIVE ANALYSIS OF TECHNICAL MEANS FOR MONITORING RAILWAY TRACK PARAMETERS

Dmitriy Roshchin

Candidate of Science, Senior Researcher, Research and Testing Center of Railway Troops,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Проводится обзор и сравнительный анализ характеристик технических средств, используемых в путевом хозяйстве для контроля параметров железнодорожного пути. Данные средства решают близкие информационные задачи и имеют разные нагрузки на путь, рабочую скорость, точность измерения и форму представления выходной информации. Существующие методы измерения параметров железнодорожного пути и технические средства их реализации основаны на различных физических принципах и зависят от вида контроля. При выборе метода и технологии контроля учитываются требования к точности, сроки проведения и состояние контролируемого участка железной дороги.

ABSTRACT

A review and comparative analysis of the characteristics of the technical means used in the track economy to control the parameters of the railway track is carried out. These tools solve similar information tasks and have different loads on the path, operating speed, measurement accuracy and the form of presentation of output information. The existing methods of measuring the parameters of the railway track and the technical means of their implementation are based on various physical principles and depend on the type of control. When choosing the method and technology of control, the requirements for accuracy, timing and condition of the controlled section of the railway are considered.

Ключевые слова: железнодорожный путь; рельсовая колея; средства контроля; параметры железнодорожного пути.

Keywords: railway track; track gauge; means of control; parameters of the railway track.

Требования к качеству железных дорог неуклонно возрастают, что вызвано стремлением к повышению скорости и безопасности грузопассажирских перевозок. Этим объясняется необходимость в обеспечении контроля параметров всех элементов железнодорожного (ж.-д.) пути, для чего задействуют различные средства измерений и путеизмерительную технику. Виды, порядок, сроки осмотров и проверок ж.-д. пути, а также сооружений на перегонах или станциях установлены правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации [1] и инструкцией по текущему содержанию ж.-д. пути [2].

Пропускная способность ж.-д. пути, в первую очередь определяется его техническим состоянием. В процессе эксплуатации ж.-д. пути очень важным является поддержание его технических и эксплуатационных характеристик. Ж.-д. путь (согласно СП 238.1326000.2015) включает в себя верхнее строение пути, земляное полотно, водоотводные, водопропускные, противодеформационные, защитные и укрепительные сооружения земляного полотна, расположенные в полосе отвода, а также искусственные сооружения. На рисунке 1 изображены основные элементы ж.-д. пути, который состоит из рельсовой колеи (1), балластной призмы (2), земляного полотна (3) и песчаной подушки (4). Параметры основной площадки земляного полотна определяются шириной b; толщиной h_ЗП и крутизной откосов 1:m.

Рисунок 1. Структура железнодорожного пути

Основная площадка и балластная призма земляного полотна железной дороги, оказывают большое влияние на стабильность параметров геометрии рельсовой колеи [3]. Анализ изменений геометрии пути и причин, их вызывающих, показывает, что в зависимости от конкретных условий эксплуатации (топографии, климата, гидрологии) нижнее строение ж.-д. пути подвержено влиянию геологических эрозионных процессов, протекающих в грунте [4]. Под влиянием различных природных и техногенных факторов происходит естественный износ строения ж.-д. пути, приводящий к деформациям формы, изменению геометрических размеров и взаимного положения отдельных элементов конструкции, что в целом негативно сказывается на его эксплуатационных характеристиках [5].

Воздействие водной и ветровой эрозии, в том числе карст и криогенное пучение грунта вызывают просадки пути, толчки, перекосы, разжижение и выплески балласта, трещины на поверхности балластного слоя, трещины на откосах и обочинах, выпирание грунтов на междупутья и в кюветы, что приводит к повреждению ж.-д. пути [6]. При недостаточной толщине балластного слоя также возникают и развиваются до опасных размеров деформации основной площадки земляного полотна [7]. Если верх балластной призмы имеет недостаточную ширину, то снижается поперечная устойчивость рельсошпальной решетки [8]. Для выявления таких деформаций применяются различные контрольно-диагностические комплексы.

Контроль параметров ж.-д. пути позволяет своевременно выявить отклонения от допустимых значений, скомпенсировать или устранить их влияние посредством замены несоответствующих требованиям элементов. Основной задачей контроля является обеспечение стабильности значений геометрических размеров, пространственного положения и формы рельсовой колеи, а также соответствие параметров ж.-д. пути проектным значениям. Контроль выполняется, как визуальным осмотром ж.-д. пути, так и с применением различных контрольно-измерительных систем, комплексов и средств измерений, которые могут включать в свой состав различные оптические устройства, гироскопы, а также приемники сигналов спутниковых систем позиционирования (ГЛОНАСС, GPS и др.) [9].

Состояние ж.-д. пути в основном определяется геометрией рельсовой колеи [10], параметры которой характеризуют пространственное положение рельсовых нитей в профиле, плане, по уровню и ширине (табл. 1). Основная задача, решаемая в процессе контроля параметров ж.-д. пути, заключается в оценке его состояния и обнаружении отклонений параметров ж.-д. пути от установленных норм, что необходимо для предупреждения выхода этих отклонений за пределы допусков. По результатам контроля оценивается состояние ж.-д. пути и планируются ремонтно-восстановительные работы.

Таблица 1.

Параметры геометрии рельсовой колеи

В процессе эксплуатации рельсовой колеи по мере наработки тоннажа происходят процессы износа, смятия, коррозии и усталости металла, в том числе контактной изгибной и коррозийной усталости. В результате этих процессов образуются различные дефекты [11]  и повреждения рельсов. Выявление дефектов и повреждений осуществляется посредством контроля параметров ж.-д. пути с помощью различных путеизмерительных устройств и диагностических комплексов. Наиболее распространенный виды контроля заключаются в визуальном осмотре рельсов, а также с помощью ручного измерительного инструмента. Однако, они не позволяют выявить внутренние дефекты в рельсах. Для этой цели применяются путеизмерительные тележки, магнитные и ультразвуковые дефектоскопы.

В настоящее время наметилась тенденция увеличения пропускной способности ж.-д. участков за счет повышения скорости движения поездов. Увеличение скоростей движения поездов, предъявляет более высокие требования к состоянию ж.-д. пути и соответственно к допустимым отклонениям его параметров. Отклонение пути от допустимых значений по любому из геометрических параметров ведет к нарушению плавности хода подвижного состава, что влияет на безопасность движения, увеличению динамики расстройства пути и износа элементов верхнего строения пути [12]. Для скоростных участков дорог предъявляются повышенные требования, как на этапе строительства железных дорог, так и в процессе их эксплуатации. В связи с этим возникает необходимость повышения точности технических средств для контроля параметров ж.-д. пути.

Скоростной контроль рельс под нагрузкой осуществляется только с помощью путеизмерительных вагонов, магнитных, ультразвуковых и совмещенных вагонов-дефектоскопов, дефектоскопными автодрезинами [13]. Путеизмерительные комплексы решают близкие информационные задачи и имеют разные нагрузки на путь, рабочую скорость, точность измерения и форму представления выходной информации. Данные средства могут включать в свой состав оптические и геодезические приборы, оснащаться различными типами гироскопов и приемниками сигналов спутниковых систем позиционирования (ГЛОНАСС, GPS и др.).

Путеизмерительные вагоны позволяют осуществлять контроль параметров геометрии рельсовой колеи с наивысшей скоростью, составляющей более 100 км/ч [14]. Однако информация, получаемая механическими измерительными системами в виде стрел изгиба, не описывает реальной кривизны, а отображает формы неравенств пути в приближенном виде. Из-за этого снижается эффективность ее обработки и дальнейшего использования [15]. Кроме того, путеизмерительные вагоны имеют ограниченные пределы измерений и не обладают высокой точностью привязки полученных результатов измерений к одной из систем координат.

Все найденные параметры рельсовой колеи привязываются к местности с помощью системы навигации ГНСС или с помощью системы маркеров (реперов), устанавливаемых вдоль рельсовой колеи [14]. Применение ГНСС позволяет использовать специальную ж.-д. реперную сеть, пункты государственной геодезической сети или работать в условной системе координат, предварительно закрепив на местности временные репера [16]. В тех случаях, когда необходима более высокая точность измерений и их привязка к реперной ж.-д. сети, применяют ручной измерительный инструмент или автоматизированные комплексы (тележки), работающие совместно с геодезическими приборами [17].

При ремонте земляного полотна и реконструкции балластной призмы ж.-д. пути с устройством противодеформационных конструкций, дренажей, водоотводов и других сооружений, в основном применяется ручной измерительный инструмент: визирные оптические приборы, нивелиры, теодолиты, цифровые тахеометры. Их принцип измерений основан на методе проективных координат. Они достаточно эффек­тивны для контроля просадки земляного полотна эксплуатируемого ж.-д. пути, состояние которого во времени существенно нарушается проявлением деформативности. Визирные оптические приборы обладают высокой точностью контроля и выдают результаты измерений в абсолютных координатах путем привязки к реперной или геодезической сети. Однако данные средства измерения имеют низкую скорость измерений и не обеспечивают контроль параметров ж.-д. пути под нагрузкой.    

Появление технологий лазерного сканирования и координатных измерений по сигналам ГНСС в процессе проведения аэрофотосъёмочных работ способствовало разработке новых современных технических решений для мониторинга и диагностики линейных объектов и их инфраструктуры с применением БПЛА. Подобные способы оценки состояния сетей газопроводов, трасс пролегания магистральных нефтепроводов и их инфраструктуры описаны в научных трудах [18] [19] [20]. Благодаря своим высоким аэродинамическим качествам БПЛА самолетного типа отлично подходят для работы на значительном удалении для съемки обширных территорий и протяженных объектов, таких как ж.-д. путь.

В таблице 2 приведен сравнительный анализ характеристик существующих типов путеизмерительных средств.

Таблица 2.

Характеристики типов путеизмерительных средств

В ходе анализа существующих технических средств контроля параметров ж.-д. пути было установлено, что автоматизированные путеизмерительные вагоны отличаются высокой производительностью и обеспечивают непрерывный контроль на всем протяжении контролируемого участка пути. Однако в случае стихийных бедствий и техногенных аварий, приводящих к повреждению участка пути, применение таких комплексов становится невозможным. В свою очередь путеизмерительные шаблоны и тележки обладают высокой точностью контроля и представления результатов измерений в абсолютных координатах, достигаемых за счет привязки к реперной или геодезической сети с помощью геодезического оборудования. Тем не менее, данные средства не обладают высокой оперативностью контроля. Применение лазерных сканирующих комплексов, размещенных на летательных аппаратах, для контроля параметров ж.-д. пути осложнено наличием зон слабого приема сигналов ГНСС и недостаточной точностью координатных измерений.

В связи с этим, возникает необходимость совершенствования технических средств для контроля параметров ж.-д. пути, которое может быть достигнуто с помощью технологий позиционирования и навигации. Дальнейшее развитие средств для контроля параметров ж.-д. пути целесообразно рассматривать в двух аспектах: структурном и функциональном [21]. Первый отражает интегрирование различных подсистем, широкое использование средств вычислительной техники, что позволит создать техническое средство с гибкой структурой, обладающей возможностью перестраиваться в зависимости от решаемой измерительной задачи. Второй аспект характеризует резкое возрастание числа функций средства контроля. При этом центр тяжести переносится с измерительных функций на информационные, связанные с обработкой и применением результатов измерений параметров ж.-д. пути.

Список литературы:

1. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации: утверждена приказом Минтранса России № 286 от 21 декабря 2010 года.
2. Инструкция по текущему содержания железнодорожного пути: утверждена распоряжением ОАО "РЖД" № 2288р от 14 ноября 2016 года.
3. Васюкевич Е. Б. На путейской секции научно-технического совета // Путь и путевое хозяйство. – 2011 – № 3. – С. 22–28.
4. Попов С. Н. Балластный слой железнодорожного пути. – М.: Транспорт, 1965. – 183 с.
5. Худяков А. С., Малыхин А. А. К вопросу волнового износа рельс // Материалы IX Международной студенческой научной конференции Студенческий научный форум URL: https://scienceforum.ru/2017/article/2017039813.
6. Абрашитов А.А. Механизм образования выплесков в балластной призме // Мир транспорта. – 2015. – №3(58). – С. 210-217.
7. Непомнящий Н. В., Косенко С. А. Анализ работы балластного слоя железнодорожного пути при длительной эксплуатации // Тенденции развития науки и образования. – 2018. – № 43-8. – С. 52-56. doi:10.18411/lj-10-2018-194.
8. Шаповалов В. Л., Явна В. А., Ермолов К. М. и др. Инженерные решения по повышению устойчивости верхнего строения железнодорожного пути // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2017. № 4 (68). С. 119–135.
9. Михалкин, И. К., Симаков О. Б., Седелкин Ю. А. Автоматизированные средства контроля балластной призмы и земляного полотна в системе комплексной диагностики инфраструктуры // Путь и путевое хозяйство. – 2011. – № 5. – С. 16-18.
10. Положения о порядке контроля состояния главных и станционных путей путеизмерительными средствами, утверждённое распоряжением ОАО "РЖД" №678р от 07.04.2017.
11. Инструкция. Дефекты рельсов. Классификация, каталог и параметры дефектных и остродефектных рельсов, утверждена распоряжением ОАО РЖД №2499р от 23.10.2014.
12. Ковалева О. В. Использование ГИС-технологий при определении пространственного положения и геометрических параметров железной дороги // Интерэкспо Гео-Сибирь. – 2013. – Т. 1. – № 1. – С. 101-107.
13. Петухов В.Ф. Учебное пособие для студентов 3-го курса по ПМ 03. Устройство, надзор и техническое состояние железнодорожного пути и искусственных сооружений. МДК 03.03. Неразрушающий контроль рельс. – Волгоград: ВТЖТ – филиал ФГБОУ ВО РГУПС, 2017. – 154 с.
14. Путевые машины, применяемые в ОАО РЖД. Региональный Центр Инновационных Технологий. Техническая информация. Конструкция, теория и расчет. URL:http://www.rcit.su/techinfo35.html.
15. Кухливский С. В., Купрас В. Н., Бондаренко Б. М. Автоматизированная система измерения кривизны железнодорожного пути на основе гироскопа // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна. – 2007. – № 18. – С. 7-10.
16. Щербаков В. В. Применение глобальных навигационных спутниковых систем ГНСС на скоростных железнодорожных магистралях // Наука и транспорт. – 2008. – С. 42-46.
17. Специальная реперная система контроля состояния железнодорожного пути в профиле и плане. Технические требования: утверждены МПС России 26.03.1998.
18. Курков, М. В., Семенов А. Е., Котов А. А. Применение технологий Геоскан для маркшейдерских работ // Маркшейдерский вестник. – 2017. – № 3(118). – С. 42-46.
19. Кадничанский С. А., Курков М. В., Курков В. М., Чибуничев А. Г. О сертификационных испытаниях программно-аппаратного комплекса на основе беспилотного воздушного судна "Геоскан 401" // Геодезия и картография. – 2020. – Т. 81. – № 3. – С. 32-38. doi:10.22389/0016-7126-2020-957-3-32-38.
20. Патент № 2591875С1 РФ / Ревель-Муроз П. А., Чужинов С. Н., Прохоров А. Н. и др. // Изобретения. Полезные модели. 2016. № 20.
21. Парахуда Р. Н., Литвинов Б. Я. Информационно-измерительные системы: Письменные лекции. – СПб.: СЗТУ, 2002, – 74 с.