Д.т.н. Омаров А.Д., к.т.н. Султангазинов С.К, Рустамбеков Е.К.

Казахский Университет путей сообщения,Казахстан

Оценка повреждаемости рельсовых цепей при внедрении тяжеловесных поездов.

Рельсовые цепи (РЦ) в СЖАТ являются датчиками информации о том, где находится подвижной состав в пределах станций или перегонов. Среди других элементов СЖАТ РЦ являются важнейшими, так как они непосредственно определяют безопасность движения поездов. Условия работы рельсовых цепей на сети железных дорог становятся все более неблагоприятными. Острота проблемы возрастает в связи с внедрением тяжеловесных поездов.

Существуют специфические изолирующие стыки, свойственные рельсовым цепям и обусловленные возможностью влияния одной РЦ на другую при повреждении изоляции между ними. Поскольку такое влияние было известно с момента создания рельсовых цепей, разработаны и применяются соответственные методы и средства защиты. К наиболее широко известным относятся фазовые принципы защиты с применением противоположных фаз смежных РЦ (для этого специально разработано семейство двухэлементных секторных реле ДСР и ДСШ индукционного типа) и гетеродинная защита в числовой кодовой автоблокировке (использование различной частоты в смежных рельсовых линиях: (, , ).

Применение фазового и гетеродинного методов защиты от помех со стороны соседних рельсовых цепей имеет свои проблемы. Так, реле ДСШ по внутренним свойствам повлекли ограниченные длины РЦ до 1,2 км. Из практики эксплуатации реле ДСШ известны случаи заклинивания сравнительно легкого сектора пластинами «распушившегося» сердечника. Велико влияние температуры на характеристики реле. Сравнительно мал ресурс механической системы контактов – 100 тыс. срабатываний. Существует опасность примерзания сектора к сердечнику при сильных морозах. По сравнению с другими реле ДСШ имеет большой объем и массу. Немало хлопот эти реле доставляют и в эксплуатации: периодические проверки и ремонт достаточно сложных ДСШ трудоемки и требуют высокой квалификации. Однако эти конструктивные усложнения решают (но не в полной мере) лишь узкую задачу защиты от влияния соседней рельсовой цепи и не оказывают существенно положительного эффекта при воздействии на ДСШ любого другого источника. Гетеродинный метод, примененный в числовой кодовой автоблокировке, при инфранизкой результирующей частоте () потребовал емкости конденсаторов примерно 7000 мкФ для сглаживания этой частоты. Столь высокая емкость цепи, подключенной параллельно электромагнитному реле, сделала уязвимой рельсовую цепь для случайных импульсных процессов, происходящих, например, при перемежающихся замыканиях изолирующих стыков. В результате в течение десятков секунд рельсовая цепь способна выдать ложную (более разрешающую) информацию на светофор. Проблематичным оказалось и обслуживание огромного числа электролитических конденсаторов, быстро «стареющих» и ухудшающих параметры. Кодовая автоблокировка явилась важной вехой в развитии систем интервального регулирования движения поездов. Многолетняя эксплуатация этой системы на многих сотнях километров железных дорог убедила, что импульсный режим рельсовых цепей гарантирует от длительной ложной (опасной) информации на ее выходе в случае воздействия на рельсовые цепи источников непрерывных помех. Но стало очевидно, что совмещение в рельсовых цепях функции датчиков о свободности (занятности) ограниченной рельсовой линии и канала связи между сигнальными точками (а также с локомотивом) нельзя признать наилучшим решением.

При остановке кодового путевого трансмиттера, отказа дешифраторной ячейки, автоблокировка прекращает действовать. В результате наступает технологический сбой в движении поездов. Проводится большая работа по неограниченным рельсовым цепям тональной частоты в составе централизованной автоблокировки (ЦАБ). В рельсовых цепях используются несущие частоты 425 и 475 Гц, модулированные частотами 8 и 12 Гц. При несомненных достоинствах системы ЦАБ (отсутствие на перегоне изолирующих стыков, уменьшение числа дроссель-трансформаторов, облегчение электроснабжения, улучшение условий обслуживания), ей присущи определенные недостатки: «плавающие» границы рельсовых цепей, отсутствие напольных проходных светофоров (элементы сигнализации, желательные для машинистов локомотивов), сложность передающей и приемной аппаратуры и поэтому проблематичность ее надежности при массовом производстве. Ненадежной является и защищенность путевого приемника от опасных отказов при дрейфе порога чувствительности путевого приемника, обусловленного колебаниями напряжения (в том числе вследствие повреждения элементов питания), температурными изменениями параметров транзисторов в каскадах усиления, изменения сопротивлений в цепях транзисторов, вызванными окислением паяных соединений элементов и т.п.

Вероятно, эти проблемы решаются, но нельзя пренебречь такими факторами, как слабая технология производства на электротехнических заводах, большой разброс параметров комплектующих элементов, недостаточная их надежность. Однако наиболее существенным недостатком тональных рельсовых цепей является совпадение частот РЦ с частотами помех от электроподвижного состава с широтно-импульсным регулированием тока в тяговых двигателях (не менее 400 Гц). Поэтому по тональным рельсовым цепям актуальным является совершенствование помехозащищенности рельсовых цепей частотой 50 и 25 Гц с изолирующими стыками.

К наиболее характерным причинам отказов рельсовых цепей с прекращением их работы относятся: обрыв стыковых соединителей, перемычек, тяговых и блокировочных соединительных проводов (джемперов), нарушение изолирующего стыка, понижение сопротивления балласта, стрелочной гарнитуры, стяжной полосы, сережки, распорки крестовины, замыкание различными элементами (проволока, инструмент и т.д.), влияние посторонних источников тока, повреждения от грозы, неправильная регулировка режима работы, излом рельса и другие.

Особо опасными являются отказы, в результате которых рельсовая цепь показывает ложную свободность. Наиболее вероятный случай ложной свободности в результате следующих причин: появление обходных помимо рельсов, цепей для сигнального тока через опоры контактной сети, металлические конструкции, междупутные соединения и т.п.;

Потеря шунта вследствие загрязнения поверхности головок рельсов; следование подвижных единиц с плохим шунтом (дрезины, автомотрисы, отдельные локомотивы); подпитка путевых реле от посторонних источников: подпитка или переворачивание путевых реле обслуживающим персоналом; неисправности перемычек или соединителей. Неисправности соединителей происходят из-за коррозии, некачественной приварки, повреждения при путевых работах и т.п.

Отказы стыковых соединителей приварного типа происходят в основном из-за обрыва соединителя в месте его приварки к рельсу вследствие нарушения технологии приварки или ненадежного контакта между тросом и наконечником. Основным недостатком штепсельных соединителей является нестабильное сопротивление в контактной паре штепсель-рельс. Это сопротивление зависит от состояния контактирующих поверхностей и плотности контакта. Основное число отказов рельсовых цепей падает на изолирующие стыки и изоляцию стрелок. Отказ изолирующих стыков возникает, как правило, при повреждении деталей, изоляции и в то же время сохранении целости самих накладок.

Срок службы и периодичность ремонта изолирующих стыков определяют боковые изолирующие прокладки, так как они подвержены наиболее сильному воздействию динамических усилий от подвижного состава. Факторами, способствующими нарушению изоляции изолирующего стыка, являются: угон рельсов, некачественная подбивка шпал, замыкание стыка металлической стружкой и т.п. Все металлические детали скреплений и рельсы имеют электронную проводимость, а шпалы и балласты, где присутствует влага, можно рассматривать как своеобразный электролит, также обладающий определенной проводимостью. С ростом температуры и влажности интенсивность электрохимических процессов возрастает, что приводит к снижению сопротивления изоляции. Большое влияние на активизацию электрохимических процессов оказывают соли, которые даже в малых количествах приводят к резкому снижению сопротивления изоляции.

Особенно чувствительны к понижению сопротивления балласта импульсные рельсовые цепи постоянного тока и в первую очередь наиболее длинные из них (предельная длина 2,5 км). Протекающие в них электрохимические процессы, получившие название аккумуляторного эффекта, оказывают мешающее влияние на работу рельсовых цепей (залипание или задержка отпускания реле) и требует принятия специальных мер защиты. Наиболее подвержены аккумуляторному эффекту рельсовые цепи на железобетонных шпалах. Понижение изоляции рельсовой линии является причиной большей части отказов рельсовой цепи. Наиболее массовым явлением остается повреждение изоляции на стрелках и в изолирующих стыках. Нарушение изоляции в изолирующем стыке происходит как из-за нарушения торцевой изоляции при сгоне стыка в жаркую погоду, так и за счет разрушения боковой фибры, продавливания втулок и шайб.

Многолетний опыт эксплуатации изолирующих стыков показал, что они имеют ограниченный срок службы, особенно в условиях интенсивного движения. Если принять, что изолирующий стык в среднем выдерживает суммарную нагрузку от прохода поездов общим весом млн.т., то средний срок службы изолирующего стыка , установленного на однопутном перегоне, приближенно может быть вычислено по формуле , (1)

где , – средняя весовая норма на участке соответственно для пассажирских и грузовых поездов, т;

, – среднее число пар поездов в сутки соответственно пассажирских и грузовых.

Такой оценкой не учитываются скорость поездов, климатические особенности участка, качество содержания пути (подбивка стыковых шпал и др.), а также соблюдение технологии при сборке изолирующего стыка. Последний фактор оказывает особенно большое влияние на срок службы стыка. Наиболее характерное нарушение технологии установки изолирующего стыка заключается в том, что при большом зазоре в стыке отверстия в накладках не совпадают полностью с отверстиями в рельсе, при этом болт нередко загоняется с помощью кувалды и изоляция, естественно, нарушается.

Надежность работы изолирующего стыка можем довести заменой стандартной фибровой или капроновой изоляции на изоляцию из стеклотекстолита. Опыт, имеющийся на Прибалтийской дороге, показал, что изолирующие шайбы и торцевые прокладки из стеклотекстолита не подвержены деформации и практически не требуют замены.

Стеклотекстолиты легко поддается обработке при помощи штамповки, в отличие от фибровой изоляции выдерживает большие нагрузки, не высыхает с повышением температуры и не подвержен воздействию влаги. Поскольку изолирующие прокладки из стеклотекстолита не изменяются в объеме с изменением атмосферных условий, исключаются случаи понижения уровня из-за сгона рельсов и скапливания металлических опилок или стружки между торцами рельсов. Предел прочности стеклотекстолита – 52 кг/мм², в то время как для капрона он составляет 35 кг/мм², а для фибры 10,5 кг/мм². Рельсовая цепь является специфической линией связи с незначительным сопротивлением рельсовых нитей, очень низким сопротивлением изоляции каждого рельса по отношению к земле.

Поэтому сопротивление рельсов и сопротивление изоляции являются важнейшими параметрами рельсовых цепей. Под электрическим сопротивлением рельсов подразумевают сопротивление рельсовой петли, образуемой обеими рельсовыми нитями и стыковыми соединителями. Под электрическим сопротивлением изоляции рельсов подразумевают сопротивление, оказываемые току утечки от одной рельсовой нити к другой через шпалы и балласт. Максимальное сопротивление изоляции наблюдается при низкой температуре, а максимальное снижение сопротивление изоляции – при положительных температурах в сочетании с определенной влажностью.

В рельсовых цепях переменного тока наряду с активными потерями энергии сигнального тока имеются значительные перемагничивания стали рельсов, вихревых токов и т.п.

Это приводит к возрастанию полного сопротивления рельсов. Сопротивление обычного стыка, не имеющего соединителей, лежит в широких пределах 2-20 Ом эквивалентной длины или оно колеблется от 5×10^-5 до 10 Ом. Сопротивление 1 м рельса Р50 – 3,33×10^-5 Ом, Р75 – 2,54×10^-5 Ом. В соответствии с этими значениями установлены нормативные сопротивления рельсов постоянному току при длине звеньев 12,5 м от 0,6 до 0,3 Ом/км в зависимости от типа рельса, а изолирующий стык имеет сопротивление в основном 0,1-2 кОм, а односторонней изоляции накладки изолирующего стыка может достигать 100 кОм. На основе опытных данных установлены следующие границы изменения удельного километрического сопротивления рельсовой линии на постоянном токе (рельсовой петли длиной 1 км) в зависимости от состояния стыков и температуры окружающей среды: при штепсельных соединителях 0,3-0,6 Ом/км, а при стальных приварных 0,1-0,2 Ом/км. Для всех типов рельсов удельное сопротивление рельсовой стали 0,21×10^-6 Ом×м (расстояние между рельсом 1,6 м).

Литература:

1. БрейдоА.И.,ОвсянниковВ.А. Организация обслуживания железнодорож-

ных устройств автоматики и связи. М.: Транспорт,1983. 208 с.

2. Дмитриенко И.Е. Техническая диагностика и автоконтроль в железнодорожных системах автоматики и телемеханики. М.: Транспорт,1976. 96 с.