Электроизолирующие свойства эксплуатируемых железобетонных шпал

щихся традиционными и общепринятыми в теории газодинамики реагирующих сред лесных пожаров. В частности, работа системы «РЕДИМ» показала, что процедуру имитационного моделирования процесса распространения фронта ЛЛП можно строить в терминах квазилинейной дифференциальной динамики (4) [1] на основе триангуляции геодезической карты зоны действия ЛЛП.

Предложенный в обоих частях работы методологический (дифференциальный) подход по краткосрочному прогнозированию распространения фронта локального лесного пожара может быть эффективно использован при проведении теоретико-прикладных исследований в предварительном (эскизном) проектировании (программный комплекс «РЕДИМ») сегмента алгоритмического обеспечения перспективной геоинформационной технологии для системы оперативного космо-мониторинга лесных пожаров.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. К методам оперативного прогнозирования фронта лесного пожара [Текст] / А. В. Да-неев, В. А. Русанов, Т. В. Удилов, Д. Ю. Шарпинский // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. ИрГУПС. - 2008. - Спец. вып. - [С. 24-26].

2. Комплекс программ моделирования динамики локального лесного пожара «ФАКЕЛ» [Текст] : свидетельство «Роспатента» об официальной регистрации программы для ЭВМ / Г. П. Файзрахманов, А. В. Данеев, Л .В. Русанова, М. В. Русанов ;

Роспатент. - Опубл. 12.04.2005. - М., 2005. - № 20005610883. Шварц-Зиндер, С. Н. Программа выявления причин пожаров на объектах различного функционального назначения «ДАРШ» [Текст] : свидетельство «Роспатента» об официальной регистрации программы для ЭВМ / С. Н. Шварц-Зиндер, А. В. Данеев, В. А. Русанов ; Роспатент. -Опубл. 27.02.2003. - № 2003610590. Понтрягин, Л. С. Обыкновенные дифференциальные уравнения [Текст] / Л. С. Понтрягин. - М.: Наука, 1974. - 332 с. Андриевский, Б. Р. Элементы математического моделирования в программных средах MATLAB и БС^В [Текст] / Б. Р. Андриевский, А. Л. Фрадков. - СПб. : Наука, 2001. - 286 с.

Иванов, В. В. Методы вычислений на ЭВМ [Текст] : справ. пособие / В. В. Иванов. -Киев : Наук. Думка, 1986. - 584 с. Дружинин, Э. И. К теории прямых вычислительных алгоритмов параметрической идентификации линейных объектов [Текст] / Дружинин Э. И., Дмитриев В. II. // Теоретические и прикладные вопросы оптимального управления / под ред. С. Т. Завалишина, А. А. Толстоногова. - Новосибирск : Наука, 1985. - С. 218-225. Хорн, Р. Матричный анализ [Текст] / Р. Хорн, Ч. Джонсон. - М. : Мир, 1989. -656 с.

Спутниковый мониторинг лесных пожаров в России. Итоги. Проблемы. Перспективы [Текст] / Н. А. Абушенко, Д. А. Алтынцев, В. Н. Антонов [и др] ; ГПНТБ СО РАН. - Новосибирск, 2003. - 135 с.

Шаманов В.И.

УДК 656.259.2.004.5

ЭЛЕКТРОИЗОЛИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ

Верхнее строение пути с использованием рельсовых плетей обеспечивает уменьшение динамических нагрузок на путь и подвижной состав, уменьшает потери в тяговом электро-

снабжении за счет уменьшения электрического сопротивления обратной тяговой сети. Исключение скреплений между рельсовыми звеньями уменьшает количество сбоев в рабо-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

те рельсовых цепей и устройств автоматической локомотивной сигнализации, так как при этом существенно уменьшается вероятность появления продольной асимметрии электрического сопротивления рельсовых нитей. Укладываются рельсовые плети на железобетонные шпалы. Однако электрическое сопротивление железобетонных шпал часто оказывается ниже допускаемых величин, что приводит к отказам рельсовых цепей, в том числе тональных.

Удельное сопротивление изоляции рельсовых линий из-за пониженного электрического сопротивления железобетонных шпал может уменьшаться до 0,04 — 0,17 Ом'км при допускаемом нижнем пределе этого сопротивления 1,0 Ом'км для двухниточных рельсовых цепей частотой 25 и 50 Гц и не ниже 0,25 Ом'км для самых коротких тональных рельсовых цепей. Восстановление работоспособности рельсовых цепей при таких отказах требует больших затрат времени и ресурсов, приводит к значительным задержкам поездов и ухудшению безопасности их движения.

Особенностью протекания сигнальных токов по рельсовым линиям с железобетонными шпалами является то, что до 90 % сигнального тока между рельсовыми нитями утекает по шпалам и только 10% замыкается через балласт [1].

Электрическое сопротивление бетона не достаточно для того, чтобы обеспечить требуемую величину сопротивления железобетонных шпал по условиям устойчивой работы рельсовых цепей. Необходимая величина этого сопротивления между рельсами обеспечивается специальными электроизолирующими элементами рельсового скрепления — втулками, прокладками и вкладышами-пустотообра-зователями.

Электрический ток утекает из рельсов, имеющий глухой электрический контакт с металлическими подкладками, в арматуру шпалы по трем цепям: через нашпальные изолирующие прокладки и два закладных болта, крепящих металлические подкладки с рельсами к шпале. Рассматриваемые закладные болты сверху изолируются от подкладок втулками из пресс-материалов. Снизу на эти болты с надетыми на них седловидными шайбами отделяются от бетона шпалы вкладышами-пустотоб-разователями, изготавливаемыми из композиции на основе полипропилена и сополимеров пропилена. Нашпальная прокладка представляет собою резинокордовую пластину.

Электроизолирующие свойства новых элементов после их установки весьма высоки.

Однако процессы старения вызывают появление на поверхности этих элементов микротрещин, проникновение в которые токопроводя-щей грязи и солей снижает их электрическое сопротивление. С течением времени на поверхности рассматриваемых элементов образуется также тонкая проводящая пленка из пыли и загрязняющих веществ, а в отверстиях для закладных болтов под изолирующими втулками скапливаются загрязняющие и засоряющие вещества. Очистка этих отверстий практически невозможна, что определяет необратимость данного процесса.

Процессы накопления засоряющих веществ на изолирующих элементах зависят от количества осадков и количества накопленного за зиму загрязненного снега на рельсовых скреплениях. Это количество в свою очередь зависит и оттого, насколько интенсивно выдувается снег из междупутья при движении поездов.

На вкладыши-пустотообразователи в нижней части закладных болтов действуют значительные по величине механические динамические усилия, которые приводят со временем к продавливанию изолирующих стенок этих вкладышей. В результате появляется электрический контакт закладных болтов, обеспечивающих скрепление с железобетонными шпалами металлических подкладок под рельсы, через седловидные закладные шайбы с бетоном шпалы или с её металлической арматурой. Исправность этой части электрической изоляции железобетонных шпал в настоящее время никак не контролируется.

Сложность контроля электрического сопротивления железобетонной шпалы, уло-женнойв путь, определяется тем, что ее сопротивление при измерениях нельзя отделить от входных сопротивлений рельсовой линии в обе стороны контролируемой шпалы. Достаточно сложно контролировать и состояние отдельных составляющих электрического сопротивления шпал, где требуется использование методов неразрушающего контроля.

В технологическом процессе технического обслуживания РЦ предусмотрены работы по проверке изоляции железобетонных шпал [2]. Эти работы позволяют достоверно обнаруживать наличие утечки сигнального тока через шпалу только при двустороннем пробое изоляции на её металлическую арматуру. Односторонний пробой изоляции закладных болтов у одного из рельсов эти работы позволяют выявить только в частном случае, когда другой рельс замкнут на арматуру.

В соответствии с другим рекомендуемым методом измеряют напряжение между рельсами над контролируемой шпалой и напряжение между рельсом и одним из закладных болтов противоположного рельса, а затем находят их отношение делением результатов второго измерения на напряжение между рельсами. Если это отношение равно или меньше определенной величины, в зависимости от типа используемого измерительного прибора, то считается, что сопротивление изоляции железобетонной шпалы находится в норме [2]. Но контролируемые сопротивления изоляции при этом образуют делитель напряжения, и измеряемое отношение напряжений зависит от отношения величин сопротивлений этого делителя, а не от абсолютных значений этих сопротивлений. Следовательно, этот метод этот не дает никакой информации об исправности изоляции.

Выполнение данных работ не дает также возможность определить, неисправность какого или каких электроизолирующих элементов вызвало появление повышенной утечки.

Цепи протекания сигнальных токов из рельса в рельс по железобетонным шпалам отличаются многообразием, что определяет относительную сложность электрической схемы её замещения (рис. 1). На этой схеме приняты следующие условные обозначения: Р1,Р2 - рельсы;

А- металлическая арматура шпалы; 13Б1;1 ЗБ4 - первый и четвертый закладные болты шпалы для первого рельса; 2ЗБ1; 2ЗБ4 - то же для второго рельса; ЯР131; ЯР134 - электрическое сопротивление цепи между первым рельсом и, соответственно, первым и четвертым закладными болтами; ЯР 231; ЯР234 - то же для второго рельса; Я131Б; К134 Б - электрическое сопротивление цепи между бетоном шпалы и, соответственно, первым и четвертым закладными болтами первого рельса;

К2 31Б; К234Б - то же для второго рельса; Z1Б1; Z1Б 4 - сопротивление бетона шпалы между арматурой и, соответственно, первым и четвертым закладными болтами первого рельса; Z2 Б1; Z2 Б 4 - то же для второго рельса; Я1П; К2П - электрическое сопротивление подкладок, соответственно, первого и второго рельсов;

Z1БП; Z2БП - электрические сопротивления бетона между соответствующей подкладкой и арматурой;

К131 бл ; К34Бл; К-шБл - электрические сопротивления между балластом и местами стекания в бетон шпалы сигнальных токов, соответственно,

из первого и четвертого закладных болтов и через подкладку первого рельса;

К2 31 Бл ; К2 34 Бл ! К2ПБл - то же МЯ второго рельса;

ЯБл - сопротивление балласта; Я1Бл3; К2Бл3 - электрическое сопротивление между балластом и землей для первого и второго рельсов;

Япов - электрическое сопротивление поверхности шпалы.

Последнее сопротивление может оказывать существенную роль в утечке сигнальных токов из рельса в рельс при загрязненной то-копроводящими веществами поверхности шпал.

Как отмечалось, в рельсовых цепях с железобетонными шпалами утечка сигнального тока между рельсовыми нитями через балласт не играет заметной роли. С учетом этого электрическая схема замещения железобетонной шпалы была преобразована в схему замещения, показанную на рис. 2.

Условные обозначения на рис. 2, отличающиеся от условных обозначений на рис. 1, следующие:

КВз1; К-и4; ^231; 4 - электрические сопротивления в верхней части соответствующего закладного болта;

Кз; К"4; КНз1; К-Н4 - электрические сопротивления в нижней части соответствующего закладного болта;

ZОэ - эквивалентное сопротивление остальных цепей утечки сигнального тока между рельсами Р1 и Р 2.

Показанная на рис. 2 электрическая схема замещения позволила разработать патентуемый в настоящее время способ технической диагностики состояния электроизолирующих элементов железобетонных шпал. Этот способ позволяет в условиях эксплуатации не только найти неисправность с глубиной до каждого из электроизолирующих элементов, но и определить численные значения электрического сопротивления как всей шпалы между рельсами, так и каждого из элементов, обеспечивающих её электрическую изоляцию. Использование этого способа диагностики позволило выявить следующее.

Во всех двухниточных рельсовых цепях, кроме тональных, нижний предел удельного сопротивления изоляции рельсовой линии равен 1,0 Ом'км. В рельсовых линиях с железобетонными шпалами это условие выполняется, если сопротивление между рельсами у каждой шпалы будет не меньше 2,0 кОм. Если считать, что сопротивление шпалы распределено равномерно по её электроизолирующим элемен-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

й

о

¡¡й о н

X

с

<

(в

и

и

(в

¡¡й <и н о а с

с «

§

V X и

и я 93

Л

<

(в

а С

и №

Рис. 2. Преобразованная электрическая схема замещения железобетонной шпалы

там, то сопротивление между каждым рельсом и металлической арматурой шпалы должно быть не меньше 1,0 кОм, а сопротивление каждой из трех цепей утечки сигнального тока из рельса в шпалу должно быть не меньше 3 кОм. Если сопротивление двух из трех этих цепей находится в пределах нескольких ки-лоОм или измеряется мегомами, нижним пределом третьей цепи будет величина в 1,0 кОм.

Анализ результатов проведенных измерений сопротивления железобетонных шпал на перегонах с кодовой автоблокировкой показал, что после пяти лет эксплуатации только у 40% скреплений изоляция была исправной. Сопротивление нашпальных прокладок у шпал с пониженной изоляцией было ниже 1,0 кОм у 31 % обследованных шпал и ниже 3,0 кОм — у 69 % шпал. Полностью исправной изоляция с сопротивлением более 500 кОм была только у 31 % нашпальных прокладок.

Сопротивления изоляции в нижней части закладных болтов, крепящих подкладки к шпале, было в пределах нормы только у 16 % из обследованных шпал. Изолирующие втулки, обеспечивающие электрическую изоляцию этих закладных болтов от железобетонной шпалы, имели сопротивление меньше 2 кОм только у 12,5 % обследованных шпал со сроком службы 5 лет.

Если у железобетонной шпалы исправна электрическая изоляция хотя бы с одной стороны, то даже пробой изоляции у другого рельса на работе рельсовой цепи не сказывается. У 62% из обследованных шпал сопротивление изоляции одной стороны шпалы было меньше 1,0 кОм, но полностью неисправной изоляция была только у 12 % шпал. Измерения показали, что на одну шпалу с неисправной изоляцией приходилось четыре шпалы с односторонним пробоем изоляции. С увеличением

срока службы количество шпал с неисправной изоляцией росло [3].

Величина нижнего допускаемого предела удельного сопротивления изоляции рельсовой линии при тональных рельсовых цепях зависит от несущей частоты сигнала, длины рельсовой цепи от путевого генератора до путевого приемника и длины кабеля, соединяющего путевой приемник с рельсовой линией. Следовательно, нижний допускаемый предел электрического сопротивления железобетонных шпал тоже является функцией этих парамет- ров.

Обследование состояния электрической изоляции наиболее загрязненных железобетонных шпал в осенний период при талом грунте на перегонах с тональными рельсовыми цепями показало, что только 30% скреплений у этих шпал имели исправную изоляцию между рельсами.

Полное сопротивление шпал между рельсами у шпал со сроком службы 1,5 года составляло 870 Ом, а у шпал со сроком службы 5 лет — 450 Ом, тогда как среднее минимальное сопротивление железобетонных шпал в этих рельсовых цепях должно было составлять 1,6 кОм.

Поэлементная диагностика состояния электроизолирующих свойств показала, что у всех обследованных шпал при тональных рельсовых цепях изолирующие втулки закладных болтов были исправны. А изоляция вкладышей-пустотообразователей была нарушена у всех шпал. Величина её сопротивления была меньше 1,0 кОм у 88 % обследованных шпал. С ростом срока службы шпал с 1,5 до 5,0 лет среднее сопротивление в нижней части закладных болтов уменьшилось с 440 до 350 Ом.

Сопротивление изолирующих нашпаль-ных подкладок в обследованных шпалах при тональных рельсовых цепях не превышало 720 Ом в шпалах со сроком службы 1,5 года и 240 Ом в шпалах со сроком службы 5,0 лет. Средняя величина этого сопротивления в шпалах со сроком службы 1,5 года была 440 Ом, а у шпал со сроком службы 5,0 лет — 160 Ом.

Измерения в станционных рельсовых цепях на железобетонных шпалах показали, что после года эксплуатации сопротивление изоляции все вкладыши-пустотообразователи были продавлены, и седловидные закладные шайбы касались бетона. Только 25 % изолирующих нашпальных подкладок имели сопротивление, исчисляемое сотнями килоОм, а 25 % подкладок имели сопротивление в пределах 1,0 - 2,0 кОм.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Самой недолговечной является изоляция, обеспечиваемая вкладышами-пустотообразо-вателями. Уже в течение первого года эксплуатации железобетонных шпал стенки практически у всех вкладышей-пустотообразовате-лей были продавлены закладными седловидными шайбами. В результате нижняя часть закладных болтов, скрепляющих металлические подкладки со шпалами, получает непосредственный контакт с бетоном или арматурой шпалы. И если изолирующие втулки в верхней части этих болтов оказываются перекрытыми токопроводящим мокрым снегом или грязью, то сопротивление рельса по отношению к шпале падает до нескольких десятков или сотен Ом.

Узел, включающий в себя вкладыш-пусто-тообразователь и закладную седловидную шайбу, является неразборным, поэтому приходится или мириться с указанным предотказ-ным состоянием, или заменять шпалы с неисправной электрической изоляцией.

Вторым слабым звеном в электрической изоляции рельсовых скреплений являются изолирующие нашпальные прокладки. Их электрическое сопротивление уменьшается с течением времени из-за действия деградаци-онных процессов и загрязнения. Из-за загрязнения верхней части шпал торцы нашпальных прокладок в процессе эксплуатации тоже покрываются грязью. Это часто приводит к закорачиванию металлической подкладки на шпалу через эту грязь или мокрый токопроводя-щий снег. Устраняют такие отказы очисткой от грязи и промыванием поверхности шпал или заменой нашпальных прокладок. Работы эти достаточно трудоемки, а время восстановления этих отказов исчисляется часами, что также приводит к значительному ущербу в поездной работе.

Следовательно, электроизолирующие свойства скреплений у изготавливаемых серийно железобетонных шпал не отвечают современным требованиям.

Значительное повышение срока службы шпал по их электроизолирующим свойствам обеспечивает запатентованная конструкция скрепление рельсов с железобетонными шпалами, обеспечивающая [4].

Повышение долговечности электрической изоляции от шпалы металлических подкладок, к которым рельсы крепятся закладными болтами, обеспечивается в этой конструкции изолирующими бортиками над верхней поверхностью шпалы за счет удлинения на-шпальных прокладок. В результате резко уменьшается вероятность перекрытия элек-

трической изоляции шпалы по её поверхности мокрым снегом или другими загрязняющими токопроводящими материалами.

Срок службы изоляции в нижней части этих закладных болтов увеличивается за счет снабжения закладных седловидных шайб электроизолирующим покрытием. Такая двойная электрическая изоляция закладных болтов от бетона и арматуры шпалы резко уменьшает вероятность пробоя изоляции в нижней части этих болтов при продавливании вкладышей-пустотообразователей.

Таким образом, разработан способ измерения сопротивления электроизолирующих элементов железобетонных шпал с использованием приемов неразрушающего контроля. Применение способа позволило выяснить причины недостаточной долговечности шпал этого типа по требованиям обеспечения необходимого уровня электрической изоляции в рельсовых цепях между рельсовыми нитями, а также усовершенствовать конструкцию скрепленийдля повышения срока их службы.

Способ измерения позволяет достоверно определять в условиях эксплуатации причины, вызывающие переход электрической изоляции железобетонных шпал в предотказное состояние или состояние отказа, и тем самым достоверно выбраковывать шпалы, вызывающие недопустимое снижение сопротивления изоляции рельсовых линий.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Аркатов, В. С. Рельсовые цепи. Анализ работы и техническое обслуживание [Текст] / Аркатов В. С., Кравцов Ю. А., Степен-скийБ. М. - М.: Транспорт, 1990. - 295 с.

2. Устройства СЦБ. Технология обслуживания [Текст]. — М. : Транспорт, 1999. — 433 с.

3. Долговечность электроизолирующих свойств элементов железобетонных шпал [Текст] / Шаманов, В. И., Шевердин И. Н., Солдатенков Е. Г., Трофимов Ю. А., Пуль-тяков А. В. // Железнодорожный трансп. — 2008. — № 10. — С. 56 — 59.

4. Пат. 74396 Российская Федерация, МПК7и 1, F 15, В 11/12. Изолирующее скрепление рельсов с железнодорожными шпалами [Текст] / Шаманов, В. И., Пультяков А. В., Трофимов Ю. А., Шаманова С. И. ; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщ. — заявл. 27.06.2008 ; опубл. 27.11.2008, Бюл. [№ 33]. — 6 с. : ил.