Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Комплексная диагностика при эксплуатации опор контактной сети. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 105 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Методология предусматривает оценку риска нарушения без-

опасности движения поездов, которая состоит из его анализа и последующего оценивания; если риск допустим, то обеспечивается безопасность движения поездов от функционирования данного объекта. Если же риск нарушения безопасности выше допустимых значений, то необходимо повышать надежность функционирования объекта [58]. Такой подход уменьшает стоимость жизненного цикла контактной сети и оптимизирует затраты на трудовые и материальные ресурсы [22].

Главная часть оценки риска заключается в анализе, определяю-

щем эффективность его снижения [59].

Повреждения контактной сети (опасные отказы): обрывы контактных проводов, повреждения изоляторов, консолей фиксаторов и опор. Одна из наиболее сложных проблем надежности контактной сети – это повреждение бетона и стали опор и фундаментов из-за химической (атмосферной и почвенной) и электрической коррозии. Особенно опасна коррозия фундаментных частей опор, так как методов контроля их состояния нет.

При анализе рисков, связанных с контактной сетью, в первую очередь требуется учитывать опасности с большим удельным весом: уход опоры в негабарит, разрушение или падение опоры (последнее классифицируется как транспортное происшествие) [40, 57, 103].

Риск задержки поездов, возникающий при неисправности опоры контактной сети, уход опоры в негабарит, разрушение опоры, падение опоры классифицируются отказами первой категории, рассчитывается по [56].

При расчете количества отказов контактной сети учитываются так называемые частичные отказы – отклонения от нормируемых параметров, угрожающие безопасности движения поездов и надежности процесса токосъема токоприемников [58]:

КС оКС чрсКС чрсКС

=+⋅,

rr k r

ii i i

(2.10)

где

оКС

– количество отказов контактной сети i-го участка;

чрсКС

–

коэффициент частичного работоспособного состояния контактной сети;

– количество частичных работоспособных состояний

чрсКС

контактной сети, отклонений от нормируемых параметров, угрожающих безопасности движения поездов и надежности процесса токосъема токоприемников, оцениваемых 400 баллами.

Коэффициент частичного работоспособного состояния:

0,33.

КС

l= ⋅ =1,6 0,22 0,0352

l⋅

эc

чрсКС

Для определения интенсивности отказов за пять лет наблюдения

применяется формула (2.11): l = r/T где l – интенсивность отказов; r – количество отказов; T

, (2.11)

наб

– интер-

наб

вал наблюдения, лет.

КС

Подставляя значение

в формулу (2.11) вместо r, получим

расчет интенсивности отказов на выбранном участке с учетом частично работоспособных состояний опор контактной сети:

КС

(2.12)

набi

Таким образом, по формуле (2.10):

КС

=+ ⋅=0 0,33 18 7,94.

Округляем полученное значение до целого и получаем количе-

ство отказов опор контактной сети

= 8, подставим полученное

значение в формулу (2.12):

l= =81,6

/ год.

Интенсивность отказов опоры контактной сети определяется по

формуле: l

= l · k, (2.13)

где k – весовой коэффициент, взятый из [53].

Определим интенсивность отказов опор контактной сети:

где k учитывает срок эксплуатации контактной подвески [56]; n – количество опор контактной сети.

/ год.

– переводной коэффициент [56]; kc – коэффициент, который

(2.14)

По формуле (2.14) интенсивность отказов для заданного собы-

227

тия составляет

0,0352

l= ⋅ =

2,5 1,4 0,00054

/ год.

Величина ущерба для одного отказа:

= ,

– продолжительность устранения отказов до возобновления

где C

∑

(2.15)

КС

движения определяется как общая продолжительность простоя участка по формуле

КС

где η

– норма времени на восстановление опор контактной сети,

тр

=η⋅ ,

тр i

(2.16)

ηтр = 2 чел. · ч.

= 2 · 8 = 16 ч.

По формуле (2.15):

= =163,2

ч.

Уровень риска для одной неисправной опоры:

=l⋅ .

(2.17)

Уровень риска вычисляется по формуле (2.17): R = 0,00054 · 3,2 = 0,00174 ч/г.

Это означает, что одна опора контактной сети может привести к задержке поездов на 0,00174 часа в год.

Уровень риска для участка: R

= R · n. (2.18)

уч

По формуле (2.18) уровень риска для участка в целом равен R

= 0,00174 · 227 = 0,394 ч.

уч

Допустимый риск задержки поездов на перегоне составляет при-

2,5

близительно 0,1 ч, поэтому необходимо сравнить рассчитанное значение с допустимым и оценить полученный риск.

Из полученных значений: R

Rуч > R

, следовательно, риск недопустим.

доп

= 0,394 ч, а R

уч

= 0,1 ч, значит,

доп

Составим матрицу рисков для рассматриваемого участка и заданного события. Типовая форма матрицы рисков содержит шесть уровней вероятностей и четыре уровня тяжести последствий; в матрице уровень риска ранжируется по четырем категориям (не принимаемый в расчет, допустимый, нежелательный и недопустимый).

Матрица рисков строится следующим образом: по вертикальной оси отсчитываются вероятности возникновения события; по горизонтальной – размеры последствий возникновения события, представленные в соответствии с принятой шкалой тяжести последствий; проводится определение и ранжирование уровня риска для каждой ячейки матрицы с учетом принятого допустимого уровня риска.

При отсутствии статистических данных рекомендуется шкалу вероятностей задавать с шагом 2,5, при этом среднее значение частоты события размещается около центра шкалы в середине области «вероятное». Нижняя или верхняя граница области «вероятное» будет

меньше или больше интенсивности на половину шага, или в

2,5

раз, а границы областей отличаются на один шаг, то есть в 2,5 раза.

В итоге получим значения, которые соответствуют шести уровням шкалы частот [56]:

– частое: 0,35 г.–1 < f ≤ 2,5 · 0,35 г.–1 → 0,35 г.–1 < f ≤ 0,88 г.–1,

– вероятное: 0,22/

г.–1 < f ≤ 0,22/

г.–1 → 0,14 г.–1 < f ≤ 0,35 г.–1, – случайное: 0,14/2,5 г.–1 < f ≤ г.–1 → 0,056 г.–1 < f ≤ 0,14 г.–1, – редкое: 0,056/2,5 г.–1 < f ≤ 0,056 г.–1 → 0,022 г.–1 < f ≤ 0,056 г.–1, – крайне редкое: 0,022/2,5 г.–1 < f ≤ 0,022 г.–1 → 0,0088 г.–1 < f ≤

≤ 0,022 г.–1,

– маловероятное: 0,0088/2,5 г.–1 < f ≤ 0,0088 г.–1 → 0,0035 г.–1 < f ≤

≤ 0,0088 г.–1.

Шаг шкалы последствий целесообразно выбирать таким, что-

бы его произведение на шаг частот (вероятностей) не превышало 10–20, в противном случае оценка риска с использованием обеих шкал будет слишком грубой. При отсутствии статистических данных рекомендуется шкалу последствий задавать с шагом 4, при этом

среднее значение тяжести последствий размещается около центра шкалы. Поэтому выбирается шаг шкалы последствий, равный 4, значит, ущерб, равный одному часу, соответствует границе уровней тяжести последствий «критический» и «катастрофический» [22, 56].

Далее необходимо получить значения, которые соответствуют

четырем уровням шкалы последствий:

– катастрофический: 1 ч < C ≤ 4 ч; – критический: 0,25 ч < C ≤1 ч; – несущественный: 0,063 ч < C ≤ 0,25 ч; – незначительный: 0,016 ч < C ≤ 0,063 ч.

Перемножив шаги шкал частот и последствий, получим шаг уровня рисков, равный 10. Затем вычислим границы, соответствующие четырем категориям риска:

– недопустимый: R

– нежелательный: 0,1 · R

– допустимый: 0,01 · R

– не принимаемый в расчет: 0,001 · R

< R ≤ 10 · R

доп

< R ≤ R

доп

< R ≤ 0,1 · R

доп

→ 0,1 ч < R ≤ 1 ч;

доп

→ 0,01 ч < R ≤ 0,1 ч;

доп

→ 0,001 ч < R ≤ 0,01 ч;

доп

< R ≤ 0,01 · R

доп

→ 0,0001 ч

доп

< R ≤ 0,001 ч.

Построим матрицу рисков, соответствующую данным критериям. Для этого необходимо перемножить значения частоты (верхние) и тяжести последствий, которые соответствуют каждой ячейке, и назначить требуемую ей категорию в зависимости от результата [56]. Так как полученные значения матрицы содержат ячейки со всеми возможными уровнями риска, то они удовлетворяют условию по совместности. Если рассчитанная матрица не удовлетворяет приведенному условию, то необходимо провести корректировку шкал частот и последствий. Затем потребуется повторить ранжирование ячеек, определив ячейку матрицы, в которую попадает рассчитанный риск [56]. Для этого отложим на соответствующих осях частоту последствий, равную 0,22/г., и тяжесть последствий, равную 0,78 ч. [56]. Пересечение этих значений находится в выделенной ячейке (рис. 2.9).

Полученный уровень риска (R уровня (R

= 0,1 ч). Это означает, что нужно обработать данный

доп

= 0,394 ч) больше допустимого

уч

риск и принять управленческое решение для его исключения.

Расчет подтверждает, что необходимо применять комплексный подход к определению технического состояния опор контактной сети. Это обеспечит требуемый уровень безопасности перевозочного процесса и сократит количество опасных отказов за счет своевременного выявления несоответствий технического состояния железобетонных опор контактной сети нормативным значениям [34].

0,22

РИСК

0,055 0,22 0,88 3,52

Частое

0,88

0,35

0,016 ч 0,063 ч 0,25 ч 1 ч 4

Рис. 2.9. Значения матрицы рисков задержки поездов

Редкое 0,0035 0,014 0,056

Вероятное 0,022 0,88 0,35 1,4

0,14

Случайное 0,0088 0,035 0,14 0,5 6

Крайне редкое 0,0014 0,0056 0,022 0,088

Маловероятное 0,00056 0,022 0,0088 0,035

0,56

0,0088

0,035 Не значительный Несущественный Критический Катастрофически

0,0035

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА

ОТКАЗА ОПОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ

При эксплуатации опорного хозяйства возникают постепенные и внезапные отказы, вызванные различными деструктивными процессами в защитном бетонном слое опоры и в ее металлической арматуре. К таким процессам относят все виды коррозии бетона и арматуры [50, 53, 99]. Разрушают железобетонные опоры контактной сети и механические воздействия (удары, вибрации, постоянные и временные, нормативные и ненормативные нагрузки и т. д.). Главная проблема заключается в выборе параметра, который достоверно показывает техническое состояние и возможный переход от исправного состояния в состояние отказа, при измерении которого минимально учитываются внешние факторы (температура, влажность и т. д.) [100].

Сегодня устройства контактной сети находятся на третьем этапе жизненного цикла – этапе старения [23, 44]. При техобслуживании и ремонтах разработана система, позволяющая поддерживать устройства контактной подвески в работоспособном состоянии. Работоспособность поддерживается за счет ежегодной подготовки графиков планово-предупредительных работ, замены изношенных деталей, регулировки, модернизации конструкций. В опорном хозяйстве с такой проблемой справляться сложно. При обслуживании парка опорных конструкций получен лишь опыт такой эксплуатации, когда глубокое и комплексное обследование не применялись. Сегодня необходимо полное комплексное описание технического состояния опорных конструкций [12, 13, 15].

Во время массовой электрификации достаточно подробно изучены деградационные процессы, протекающие в железобетонных опорах и фундаментах контактной сети. Разрушение бетона можно разделить на три группы.

Группа 1. Здесь большую роль играет неоднородность бетона по структуре и свойствам. В этой системе непрерывно происходят различные изменения, поэтому сложно достичь равновесного состояния. Так, под действием воды из грунта вымывается известь, содержащаяся в бетоне, что постепенно приводит к разрушению структуры цементного камня. Решение – применение бетона повышенной плотности [60, 99].

Группа 2. Здесь проявляет себя один из главных недостатков бетона – пористость. Химические процессы, возникающие при взаимодействии извести и углекислоты, находящейся в грунте, образуют в порах бетона практически нерастворимый карбонат кальция, который, закупоривая их, уплотняет поверхностный слой. Но при повышенном содержании углекислоты в грунте карбонат кальция превращается в бикарбонат кальция, который легко растворяется в воде, и далее происходит коррозия первой группы. Решение – применение более плотного бетона и создание защитного слоя из плотного грунта вокруг опоры [85].

Группа 3. Коррозия бетона обусловлена образованием кристаллов солей. При взаимодействии агрессивной среды и цементного камня, а также из-за поступления извне и испарения влаги в порах бетона кристаллы солей, накапливаясь, увеличиваются в размерах, это создает значительные растягивающие напряжения. Большую роль играет здесь наличие испаряющей поверхности и соприкосновение с раствором какой-нибудь соли. Вследствие капиллярного подсоса раствор движется в сторону испаряющей поверхности, и кристаллы соли выделяются в твердую фазу. Проблема коррозии группы 3 решена путем непроницаемого слоя изоляции, исключающей испарение.

Разрушение металлической арматуры делится на две хорошо известные группы: а) атмосферная коррозия, которая протекает при взаимодействии металла с кислородом и водой; в железобетонных конструкциях особенно интенсивно проходит на обнаженных участках арматуры. Из-за того, что кислород в разной степени поступает к открытому и защищенному бетоном участку арматуры, возникает макропара, и обнаженный участок служит анодом, с которого электроны переходят на катод, где деполяризуются и вступают во взаимодействие с кислородом и водой. Так как объем ржавчины в три-четыре раза больше объема чистого металла, то бетон изнутри подвергается сильным растягивающим усилиям, в большинстве случаев отслаиваясь и обнажая при этом большие участки арматуры, б) электрическая коррозия. Скорость такой коррозии значительно превышает скорость атмосферной.

На металле в бетоне появляется защитная пленка, которая притормаживает коррозию, но при прохождении большой плотности тока защитная пленка разрушается. В засоленных грунтах разрушение защитной пленки ускоряется. И уж если коррозия в стали под действием электрического тока началась, то протекает она достаточно интенсивно.

При прохождении электрического тока в железобетоне уве-

личивается сопротивление стеканию тока из-за отложения продуктов электролиза на арматуре, которые также оседают в порах бетона. Внутри бетона развиваются значительные растягивающие усилия – до 300 кГ/см

, с течением времени в появляются трещины, что, в свою очередь, вызывает резкое снижение сопротивления.

На величину тока утечки совершенно не влияет толщина защитного слоя бетона, а электрическая коррозия не зависит от величины потенциала [31].

Итак, электрическая коррозия зависит только от плотности тока стекания, который, в свою очередь, зависит от напряженности электрического поля и проводимости среды, в которую этот ток стекает, подчиняясь закону Ома:

δ=γ⋅

(3.1)

где γ – проводимость среды, в которую стекает ток; E – напряженность электрического поля, определяемая по формуле

где τ – линейная плотность заряда; ε

(3.2)

πε,2Er

– диэлектрическая проницае-

мость; r – радиус проводника.

Принимая во внимание выражения (3.1) и (3.2), получим выражение для расчета сопротивления току утечки для одиночного заземлителя:

(3.3)

γ⋅ π

где l – длина стержня погруженного в бетон; r – радиус стержня.

На участке цепи «арматура-бетон» происходит качественное изменение в структуре тока, потому что в металле заряд переносится электронами, в бетоне – при помощи ионов.

При относительно небольшой плотности тока равновесие системы рассматриваемой цепи не нарушается, ионы металла не вступают в реакцию растворения извести.

При значительных плотностях тока равновесие системы нарушается, в реакцию вступают ионы железа, далее наступает обычный процесс электролиза железа. Выделяющийся слой коррозии уплотняется, что создает значительные усилия на бетон.

Это явление полностью зависит от плотности тока утечки, который, в свою очередь, зависит от напряжения внешнего источника и суммарного сопротивления цепи. Электрической коррозии подвергаются все сооружения, заземленные наглухо на рельс и находящиеся в анодных зонах; из-за коррозии металла трещины в бетоне развиваются преимущественно в подземной части фундамента, а через некоторое время и в надземной.

Предотвратить коррозию металлической арматуры в стенках бетона опор контактной сети сегодня нельзя. Нет и достоверного описания технического состояния металлической арматуры. В настоящее время уже на стадии изготовления реализованы мероприятия по предотвращению всех видов коррозии бетона (более плотный состав бетона, нанесение специальных покрытий), а также выполнены специальные технологические отверстия в теле железобетонной опоры для уравнивания колебаний температуры, то есть в дальнейшем можно пренебречь техническими параметрами бетона. Раз в железобетонных конструкциях основную несущую нагрузку воспринимает арматура, то в модели износа учитываем состояние металлической арматуры в бетоне [105, 64].

Деструктивные процессы, возникающие при эксплуатации железобетонных опор контактной сети, способствуют тому, что при снижении сопротивления растет величина тока утечки и разрушается металл. При длительном протекании относительно больших токов утечки значительно снижается диаметр стержней арматуры внутри стенок бетона центрифугированных опор контактной сети. При полном разрушении арматуры резко увеличивается сопротивление. При эксплуатации в установленном порядке [109] на участках электрифицированных железных дорог определяют потенциалы «рельс-земля» и сопротивления опор контактной сети «консоль-рельс». Далее, применяя закон Ома, определяют величину токов утечки.

Распределение сопротивлений опор контактной сети, основанное на результатах пятилетних замеров, представлено на рис. 3.1.

Закон распределения описываемого процесса проверен по критерию Пирсона; получено при числе свободы ν = 9 и уровне

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 105 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]