1.3 Оценка надежности рельсовых скреплений

Конструкция верхнего строения пути является сложной системой, состоящей из многих элементов. При расчете показателей надежности рельсовых скреплений различных типов приходиться рассматривать структурные схемы, включающие последовательные и параллельные соединения элементов.

Скрепления проектируют без функционально «лишних» деталей. Отказ любой из них сильно снижает эффективность узла скрепления, вызывает интенсивный износ соседних деталей и повышает расходы на содержание пути. Поэтому, оценивая надежность скреплений различных типов в условиях нормальной эксплуатации, все элементы необходимо считать соединенными последовательно, а вероятность безотказной работы узла такой системы оценивать по формуле:

_,где

-

вероятность безотказной работы i-го элемента.

Оценивая надежность скрепления в экстремальной ситуации, в которой конструкция может находиться ограниченное время, после чего переходит в аварийное состояние, отдельные цепи элементов можно считать параллельными, а безотказность работы элементов цепи:

Для стареющих элементов в качестве распределения интервала безотказной работы используют обычно нормальное распределение.

В этом случае вероятность безотказной работы на интервале (0; t)

,где

		-	средняя наработка до отказа, млн. т;
		-	среднее квадратичное отклонение безотказной работы.

Параметры и можно оценить по методу квантилей.

Считаем, что за время вероятность выхода из строя элементов скреплений составит:

Для этой вероятности определим квантили и составим уравнений системы.

Полученную систему уравнений решим по методу наименьших квадратов.

Уравнения решаем относительно неизвестных и . Точность полученных значений и может быть оценена с помощью соответствующих уравнений.

Частота отказов элементов рельсовых скреплений типа БП-65 определена по статистическим данным об отказах элементов во время эксплуатации и приведена в таблице № 4.

Таблица №4.Частота отказов элементов скреплений

Тип скрепления	Наработанный тоннаж, млн. т брутто	Металлические элементы							Электроизолирующие и амортизирующие элементы
		подкладки	клеммы	болты клеммные	шайбы клеммных болтов	болты закладные	шайбы закладных болтов	подрельсовые прокладки		нашпальные прокладки	Втулки			резиновые подклеммники
											короткие	удлиненные
БП-65	200 300 400	0,026 0,060 0,095	0,016 0,035 0,058	– – –	– – –	0,0015 0,0060 0,0130	0,001 0,002 0,0035	0,052 0,090 0,111		0,018 0,030 0,039	0,042 0,060 0,079	0,025 0,037 0,046	– – –
КБ-65	300 400 500	0,021 0,065 0,120	0 0 0	0,0008 0,0010 0,0012	0,006 0,009 0,011	0,0005 0,0018 0,0024	0,005 0,008 0,010	0,046 0,066 0,256		0,030 0,042 0,160	– – –	0,032 0,046 0,060	– – –
ЖБР	200 300 400	– – –	0,050 0,080 0,120	– – –	– – –	0,005 0,020 0,070	– – –	0,056 0,110 0,153		– – –	– – –	0,024 0,038 0,054	0,011 0,016 0,021

Вывод: При сравнении данных для скрепления БП-65 с данными других скреплений, приведенных в таблице №4 , можно сделать следующие выводы:

- по частоте отказов БП-65 надежнее скрепления ЖБР (по всем элементам, кроме закладных болтов), но не надежнее КБ-65(по подкладкам, закладным болтам, клеммам и удлиненным втулкам);

- по количеству элементов, БП-65 надежнее, чем КБ-65, но уступает ЖБР;

- среди металлических элементов, наименьшая частота отказов у шайб закладных болтов;

- среди электроизолирующих и амортизирующих элементов, наименьшая частота отказов у нашпальных прокладок;

- для повышения надежности необходимо повысить надежность: закладных болтов, подкладок, подрельсовых прокладок;

Используя данные таблицы №4, определяют значения и , млн. т брутто.

После определения параметров и , и вероятности безотказной работы отдельных элементов скреплений переходят к определению вероятности безотказной работы узлов скрепления. Для этой цели составлены структурные схемы анализа надежности скреплений.

На рисунке 2 представлено скрепление БП-65 со всеми его элементами.

Условные обозначения:

1 – подрельсовая прокладка;

2 – подкладка металлическая;

3 – нашпальная прокладка;

4 – болт закладной;

5 – пружинная прутковая клемма;

6 – скоба прижимная;

7 – гайка;

8 – шайба закладная седловидная;

9 – пустотообразователь изолирующий;

10 – втулка уплотнительная.

Рисунок 2.Скрепление КБ - 65

Таблица №5.Параметры распределения

Элементы скрепления	Тип скрепления
	БП-65
	Tcp	t
Подкладки Клеммы Болты клеммные Шайбы клеммные Болты закладные Шайбы закладных болтов Втулки короткие Втулки удлиненные Прокладки под рельсовые Прокладки на шпальные Подклеммники резиновые	797 920 – – 979 1783 1276 1602 1018 1397 –	310 335 – – 263 513 623 718 507 571 –

После определения параметров T_cp и _t и вероятности безотказной работы P(t) отдельных элементов скреплений перейдем к определению вероятности безотказной работы узлов скреплений. Для этой цели составлена структурная схема анализа надежности скрепления БП - 65.

На этих схемах приняты следующие обозначения:

Условные обозначения:

1_З – болты закладные;

2_З – шайбы закладные;

3_З – втулки короткие;

4_З – втулки удлиненные;

5_З – клеммы;

1_П – прокладки резиновые подрельсовые;

2_П – подкладки;

3_П – прокладки под подкладками (надшпальные).

Рисунок 3 .Структурная схема скрепления БП-65

При составлении структурной схемы исходным было принято положение, что система последовательно соединенных элементов работоспособна тогда и только тогда, когда работоспособны все ее элементы.

При параллельном соединении отказ системы происходит тогда, когда откажут все параллельные участки схемы.

При составлении структурной схемы для подкладочного скрепления БП учитывалось, что подкладки объединяют работу прикрепителей (клеммных и закладных болтов). Отказ узла скреплений в экстремальных условиях эксплуатации произойдет тогда, когда откажут обе параллельные цепи элементов прикрепителей.

Вероятность безотказной работы узлов рельсовых скреплений определяем в соответствии со структурной схемой по формуле:

.

Вероятность безотказной работы узлов скрепления БП -65 при тоннаже 300 млн,т брутто составляет 0,9117.

Однако отказ узла скрепления еще не означает отказ всей системы связей рельса с основанием. Поперечная устойчивость рельсовых нитей и всей рельсошпальной решетки обеспечивается, если нет кустов из трех негодных шпал, а рельсовая нить не расшита более чем на трех шпалах подряд. Справедливость этих требований подтверждается результатами проведенных в последнее время исследований поперечной устойчивости пути на железобетонных шпалах под поездной нагрузкой.

В соответствии с этими требованиями рассмотрим систему, состоящую из последовательно соединенных элементов, каждый из которых имеет по два резервных нагруженных элемента. Предположим, что все элементы системы однотипны. Тогда вероятность безотказной работы любого элемента системы и число последовательных элементов на каждом рельсовом звене:

, где

n – число шпал на рельсовом звене.

Таблица №6.Вероятность безотказной работы узлов скреплений

Тоннаж, млн. т брутто	Тип узла скрепленя
	БП-65
100 200 350 500 600	0,9749 0,9342 0,8262 0,6371 0,4801

Вычисления значений вероятностей элементов скрепления по таблице №5 и рисункам 2 и 3 ,для заданной наработки тоннажа – 300 млн.т брутто :

Подкладки:

Клеммы:

По рисунку 2 и 3 скрепление БП-65 имеет 2 клеммы ,поэтому

Болты закладные:

По рисунку 2 и 3 скрепление БП-65 имеет 2 закладных болта ,поэтому

Шайбы закладных болтов

По рисунку 2 и 3 скрепление БП-65 имеет 2 шайбы закладных болта ,поэтому

Втулки короткие:

По рисунку 2 и 3 скрепление БП-65 имеет 2 короткие втулки ,поэтому

Втулки удлиненные:

По рисунку 2 и 3 скрепление БП-65 имеет 2 удлиненные втулки ,поэтому

Прокладки подрельсовые:

Прокладка нашпальная:

Таблица №7 .Значения вероятностей элементов скрепления

i	1З	2З	3З	4З	5З	1П	2П	3П
	0,01	0,004	0,078	0,046	0,058	0,057	0,050	0,020

Рисунок 4 .График изменения вероятности безотказной работы скрепления БП-65 в зависимости от тоннажа

Пример 3. Определить наработку, при которой в узлах скрепления БП-65 откажут 20% металлических подкладок и подрельсовых резиновых прокладок ,т. е. необходимо найти t_i, при которой F(t) = 0,20, соответственно P_i = 1–F(t) = 0,80.Анализируя таблицу № 4, находим элементы скрепления БП – 65 с наибольшей частотой отказов: например,подрельсовые прокладки и короткие втулки. Тогда,

по приложению 2 находим квантиль U_0,80 = 0,842

Для прокладок подрельсовых млн.т брутто, млн. т брутто:

млн. т брутто.

Для коротких втулок T_cp = 1276 млн. т брутто, _t = 623 млн. т брутто:

млн. т брутто

Таким образом, после пропуска 300 млн. т брутто груза нужно произвести частичную ревизию узлов скрепления БП-65 с заменой отказавших деталей.