TRWAŁOŚĆ I NIEZAWODNOŚĆ DRÓG SZYNOWYCHstudia II stopnia, specjalność ITS, semestr 3

rok akademicki 2019/20

Katedra

Mostów i Kolei

dr inż. Jacek Makuch

WYKŁAD 2

TEORETYCZNE PODSTAWY EKSPLOATACJI DRÓG

SZYNOWYCH

EKSPLOATACJAczym jest?

• bada działanie człowieka związane z dowolnym urządzeniem(przedmiotem teorii eksploatacji jest stosowanie urządzeń przez człowieka)

• nieważny jest rodzaj urządzenia

• łączy się z licznymi dyscyplinami konstrukcyjnymi i technologicznymi

EKSPLOATACJADRÓG SZYNOWYCH

• obejmuje ich użytkowanie albo odnawianie− są to stany typowe dla większości obiektów

technicznych− każdy z tych stanów może być w danej chwili:

− stanem czynnym (zachodzić)− stanem biernym (nie zachodzić)

• jej celem jest zapewnienie bezpiecznego, ciągłego i regularnego ruchu pociągów:− ciągłość ruchu wyklucza w zasadzie bierność obu

stanów− w szczególnych przypadkach oba stany mogą być

czynne (np. wymiana złączek, przekładek)

• kierowanie eksploatacją dróg szynowych obejmuje zagadnienia:

1. POLITYKA - określenie ogólnych zasad stanowiących wytyczne działania (ustalenie systemów: ocen nawierzchni, napraw, odbiorów, ustalenie potencjału naprawczego)

2. CELE - ustalenie (liczbowo) celów utrzymania nawierzchni (długość linii, zakres i jakość napraw)

3. PLANOWANIE - sporządzenie zestawień i harmonogramów czynności potrzebnych do osiągnięcia wytyczonych celów

4. ORGANIZOWANIE - stworzenie stałych i ruchomych jednostek naprawczych, zaplecza technicznego i innych komórek organizacyjnych oraz określenie zakresu ich prac

• właściwa realizacja procesu kierowania eksploatacjądróg szynowych wymaga znajomości podstawowych cech nawierzchni i podtorza, do których należy zaliczyć: TRWAŁOŚĆ i NIEZAWODNOŚĆ

5. OBSADZANIE STANOWISK - dobór i szkolenie pracowników

6. MOTYWAJCA - stosowanie środków pobudzających pracowników do realizacji wytyczonych celów

7. STEROWANIE - porównywanie uzyskiwanych wyników z wytyczonymi celami i podejmowanie działań w celu usuwania rozbieżności

STAN DROGI SZYNOWEJ• ogół jej cech w dowolnej chwili

• ulega zmianom pod wpływem oddziaływań:− pojazdów szynowych− sił przyrody

• rozpoznawany po zewnętrznych oznakach nazywanych symptomami albo sygnałami diagnostycznymi

• może być interpretowany jako wektor w przestrzeni k-wymiarowej, w której poszczególnym osiom odpowiadają określone własności;częścią tej przestrzeni jest tak zwany obszar ZDATNOŚCI eksploatacyjnej

• podział i definicje stanów drogi szynowej powinny umożliwić ich łatwe rozróżnianie i wzajemne wykluczanie

• najczęściej używa się 3 albo 5 –stanowego opisu procesu eksploatacji drogi szynowej

TRZYSTANOWYPROCES EKSPLOATACJI DROGI SZYNOWEJ

Droga szynowa może znajdować się w stanie:

1. pełnej zdatności eksploatacyjnej E(1)

2. ograniczonej zdatności eksploatacyjnej E(2)

3. niezdatności eksploatacyjnej E(0)

Podstawą zaliczenia każdego z nieskończenie wielu szczegółowych stanów nawierzchni: E1, E2, … Ei do jednego z trzech zbiorów stanów ogólnych jest stosunek:

• prędkości pociągów vi z jaką mogą one jechać po analizowanym torze (ze względu na jego stan)

• do prędkości maksymalnej vmax ustalonej dla tego toru (przy oczywistym założeniu, że vi ≤ vmax)

• klasyfikacja stanów spełnia dwa warunki:

1. zupełności (suma podzbiorów jest identyczna ze zbiorem)

2. rozłączności (poszczególne podzbiory nie mająelementów wspólnych)

• spełnienie warunków oznacza, że nie można pominąćw klasyfikacji żadnego stanu szczegółowego, ani teżuwzględnić go więcej niż jeden raz

• klasyfikacja jest jednostopniowa

• stan E(2) dzięki określonej wartości ilorazu vi / vmax może być poddany dalszemu podziałowi (np. wg kryterium, jak dalece odbiega od stanu E(1)) wtedy klasyfikacja staje się dwustopniowa

• trzystanowy proces eksploatacji drogi szynowej okazuje się być:

– wystarczający dla celów syntetycznych

– niewystarczający w przypadku analiz związanych z odnawianiem nawierzchni

• o konieczności zwiększenia liczby stanów zadecydowały zmechanizowane naprawy z zastosowaniem ciężkich maszyn, wymagające zamknięć torów

• zamknięcia:− technologiczne planowane− technologiczne nieplanowane (na skutek nagłego

pogorszenia stanu)− awaryjne (spowodowane nagłym uszkodzeniem,

głównie pęknięciami szyn)

• konieczność zwiększenia liczby stanów do pięciu

PIĘCIOSTANOWYPROCES EKSPLOATACJI DROGI SZYNOWEJ

1. stan pełnej zdatności eksploatacyjnej E(1)

2. stan ograniczonej zdatności eksploatacyjnej E(2)

3. stan odnawiania podczas zamknięć technologicznych planowych EP

(0)

4. stan odnawiania podczas zamknięć technologicznych nieplanowych En

(0)

5. stan odnawiania podczas zamknięć awaryjnych Ea(0)

• trzy ostatnie stany są odmianami stanu E(0)

• odnawianie drogi szynowej nie wymagające jej zamknięcia może mieć miejsce również w stanach E(1) i E(2)

• macierz możliwych transformacji (przejść) stanów:

• cechy transformacji:− jest zamknięta (operandy i transformaty są zbiorami

identycznymi i skończonymi)− nie jest jednoznaczna (byłaby, gdyby każdy operand

przechodził tylko w jedną transformatę)

• podział na stany, oprócz znaczenia teoretycznego ma również zastosowania użytkowe – przykład:

• wykres kinematyczny najczęściej spotykanych transformacji:

ANALIZA WSPÓŁZALEŻNOŚCIRÓŻNYCH RODZAJÓW ZAMKNIĘĆ TORÓW

(PLANOWANYCH / NIEPLANOWANYCH / AWARYJNYCH)

• przeprowadzona na wybranej grupie linii kolejowych (2416 km) w Polsce w latach 1974-76

• autor analizy: Henryk Bałuch (Drogi Kolejowe 1978/1)

• przyczyna analizy: coraz większa liczba maszyn torowych wymaga planowania zamknięć torów (nie tylko dla ciągłych wymian nawierzchni, ale również dla napraw bieżących ciągłych)

• cel analizy: ułatwienie planowania zamknięć torów (tak aby z jednej strony wykonać wszystkie niezbędne roboty, a z drugiej możliwie jak najmniej zakłócić ruch pociągów)

• główny parametr: współczynnik zamknięć torów ki

(udział sumarycznego czasu trwania zamknięć)

WYNIKI ANALIZYwspółczynniki zamknięć torów

Wniosek - zależność pomiędzy zamknięciami planowanymi i awaryjnymi:

• dla linii pierwszorzędnych kP w latach 1974 i 75 był bardzo mały, co doprowadziło w 1976 do wzrostu zamknięć awaryjnych, pomimo że jednocześnie w tym roku wzrósł znacznie kP (efekt niemożności wyrównania nadmiernych zaległości z lat poprzednich)

M – linie magistralne, I – pierwszorzędne, II – drugorzędne

WYNIKI ANALIZY – c.d.średnie czasy trwania zamknięć torów

P – technologiczne planowane, N – technologiczne nieplanowane, A – awaryjne

Wniosek – średnie czasy trwania zamknięć torów:− 5 godz. – technologiczne planowane− 4,5 godz. – technologiczne nieplanowane− 2 godz. - awaryjne

WYNIKI ANALIZY – c.d.liczba zamknięć przypadających na 100 km

P – technologiczne planowane, N – technologiczne nieplanowane, A – awaryjne

Wniosek – znaczny wzrost liczby zamknięć awaryjnych

WSKAŹNIKI JAKOŚCI EKSPLOATACJImożliwe ujęcia wskaźników syntetycznych:

J2 i J6 – korygowane

J3 i J7 – wykładnicze

J4 i J8 – korygowano-wykładnicze

multiplikacyjne addytywne

JAKOŚĆ EKSPLOATACJINAWIERZCHNI SZYNOWEJ

• o jakości eksploatacyjnej nawierzchni szynowej decyduje zespół cech charakteryzujących jej użytkowanie i odnawianie

• propozycja wskaźnika jakości eksploatacyjnej:

N – charakterystyka niezawodnościT – charakterystyka trwałościP – charakterystyka podatności utrzymaniowo-

naprawczejE - charakterystyka ekonomiczna eksploatacjiαi – współczynniki wagw – charakterystyki przyjęte za wzorcowe

NIEZAWODNOŚĆNAWIERZCHNI SZYNOWEJ

• wskaźnik eksploatacyjnej niezawodności linii:

n – liczba zamknięć nieplanowych i awaryjnych w ciągu roku na linii o długości l

q – natężenie przewozów [Tg/rok]β – współczynnik prędkości wg wzoru:

β = 1,4 – 0,004 vmax (dla v = 100 km/h → β = 1)

wg badań na PKP Nśr = 3 ÷ 4

• inna metoda: średni czas pomiędzy dwoma kolejnymi uszkodzeniami, ale wtedy we wzorze na Je w ułamku zawierającym niezawodności należy zamienić licznik z mianownikiem

TRWAŁOŚĆNAWIERZCHNI SZYNOWEJ

• łączne obciążenie Q pomiędzy kolejnymi wymianami ciągłymi

• wg systemu eksperckiego SOKON:

PODATNOŚĆUTRZYMANIOWO-NAPRAWCZA

NAWIERZCHNI SZYNOWEJ• długość odcinka toru, na którym wykonuje się

naprawę bieżącą w czasie 1 godziny zamknięcia za pomocą typowego zestawu maszyn (UWAGA: od całkowitego czasu zamknięcia należy odjąć czas dojazdu maszyn i ich przygotowania do robót)

• w drugiej połowie lat 70-tych tak określona podatnośćdla nawierzchni ciężkiej kształtowała się w granicach 300 m

• inna metoda: czas niezbędny do usunięcia typowego uszkodzenia (np. wymiana jednej szyny albo jednej krzyżownicy), ale wtedy we wzorze na Je w ułamku zawierającym podatności należy zamienić licznik z mianownikiem

EKONOMIKA EKSPLOATACJINAWIERZCHNI SZYNOWEJ

• określenie kosztów związanych z utrzymaniem nawierzchni – PROBLEM !!! (brak jednolitych sposobów określania kosztów ograniczeń prędkości spowodowanych złym stanem torów, kosztów zamknięć torów)

• liczba robotników niezbędna do bieżącego utrzymania 1 km torów (w 1977r. na kolejach brytyjskich wskaźnik ten wynosił 0,41)

• Gołaszewski (w badaniach z połowy lat 70-tych) dodatkowo oprócz liczby robotników r uwzględnił moc maszyn m i czas potrzebnych zamknięć z

E = f (r, m, z)

CHARAKTERYSTYKI WZORCOWE• na podstawie analiz:

− z długiego okresu czasu

− z dużego obszaru sieci

• najczęściej przyjmuje się wartości mniejsze / większe od średniej o pewną część odchylenia standardowego:

Nw = Nśr - a · σN Tw = Tśr + a · σT

przyjmowanie konkretnej wartości współczynnika apowinno być uzależnione od analizy zebranych wyników obserwacji (stosowanie stałych wartości anp. wg reguły „2,5 sigma” nie jest wskazane)

WSPÓŁCZYNNIKI WAG• muszą spełniać warunek:

• określane na podstawie propozycji ekspertów

• dobór ich konkretnych wartości zależy od charakterystyki określonej linii (dla linii o dużym obciążeniu największą wartość należy przypisywaćwspółczynnikowi α1)

• przykładowo:

1. Bałuch H.: Trwałość i niezawodność eksploatacyjna nawierzchni kolejowej, WKiŁ 1980

LITERATURA: