Актуальность исследования

В процессе эксплуатации железнодорожного пути неизбежно возникают различные дефекты рельсов (выкрашивание металла, внутренние продольные и поперечные трещины, износ поперечного и продольного профиля и т. д.). Для устранения подобных дефектов с целью продления срока службы рельсов применяется технология рельсошлифования [1].

Опыт эксплуатации рельсошлифовальных поездов (РШП) выявил ряд недостатков в существующей нормативной документации, которые заключаются в отсутствии в ней каких-либо рекомендаций по назначению режимов шлифования для определенных условий обработки рельсов и критериев контроля качества выполняемых работ. Кроме того, несмотря на большую номенклатуру дефектов, удаляемых шлифованием, основой планирования технологических воздействий служит удаление волнообразного износа и формирование требуемого поперечного профиля рельсов. Условия эксплуатации рельсов в РФ, характеризуемые повышенной грузонапряженностью, наличием большого количества кривых участков пути, совместного присутствия пассажирского, скоростного и грузового движения поездов и другими факторами, приводят к возникновению в равной степени дефектов различных групп. В связи с этим такой однобокий подход, используемый при назначении технологических воздействий в Европе, в РФ недопустим. В идеале шлифование рельсов наряду с устранением поверхностных дефектов и формированием поперечного профиля рельсов должно устранять дефекты контактно-усталостного происхождения, предотвращать возникновение и сдерживать развитие трещин в поверхностных слоях головки рельсов, а также снижать интенсивность бокового и вертикального износа рельсов. К сожалению, реализация такого идеализированного подхода на основе существующей нормативно-технической документации невозможна [2, 3].

На основании вышеизложенного задача правильно организованного, технически и экономически обоснованного технологического воздействия, характеризующегося своевременным и точно спланированным проведением работ, является весьма актуальным для путевого комплекса российских железных дорог.

Научная новизна

В ходе проведенного организационно-технологического анализа производственного процесса шлифования рельсов выявлены его недостатки в используемых подходах и предложены способы их устранения. На основании сделанных выводов предлагается принципиально новый подход в планировании технологических воздействий. В качестве основы нового подхода принята разработанная классификация дефектов рельсов по степени их важности. На базе проведенного ранжирования дефектов, адресность выполнения работ по шлифованию рельсов определяется на основе решения стохастической задачи, в которой процесс принятия решения о необходимости шлифования представляется тремя состояниями (появление предпосылок к образованию дефекта, образование дефекта, активное развитие дефекта). Для решения данной задачи применены методы динамического программирования. С целью формирования оптимальной стратегии, благодаря которой доходы компании будут максимальными, а расходы минимальными, структура процесса представлена в виде матрицы, элементами которой являются величины дохода, возникающие при переходе рельсов из одной группы по степени важности в другую при воздействии на них процессом шлифования. Матрицы переходных вероятностей и возникающих при этом доходов зависят от альтернатив возможных решений, которыми располагает предприятие, выполняющее данные работы. Представленная методика планирования работ по шлифованию рельсов способствует ускорению процесса удаления дефектов, которые имеют предпосылки к катастрофическому развитию и несут прямую угрозу возникновения аварийных ситуаций. Дефекты, не имеющие тенденций активного развития в силу условий эксплуатации железнодорожного пути, при необходимости обрабатываются во вторую очередь, вследствие чего и достигается экономический эффект без снижения уровня безопасности перевозок.

Исследование

На сегодняшний день шлифование рельсов назначают без учета размеров дефектов, кинетики их развития и возможного перехода в другие дефекты, относящиеся к остродефектным и требующих замену рельсов. Основным критерием для назначения шлифовальных операций является превышение допустимых значений обобщенного показателя (индекса) состояния поверхности катания рельсов.

Обобщенный показатель используется как интегральный показатель оценки состояния геометрических параметров рельсов по системе УРРАН (комплексное управление ресурсами, рисками и надежностью на этапах жизненного цикла объектов железнодорожного транспорта). При этом применение данного показателя в качестве основы для назначения операций рельсошлифования не всегда отвечает действительности и необходимости в назначении данного вида технологических воздействий. Для интеграции дефектов рельсов и их параметров с технологией шлифования рельсов с целью создания критериальной системы планирования работ разработана классификация дефектов рельсов (в том числе предпосылки возникновения дефектов), которые возможно устранить шлифованием, по трем степеням важности. Описание степеней представлено на рисунке 1.

Ст. 1 присваивается в том случае, если наблюдаются предпосылки к ее развитию (трещины, местный износ, деформация головки, местная коррозия, нарушение прямолинейности и др.). С целью предотвращения развития дефектов назначается профилактическое шлифование, своевременное проведение которого позволяет эксплуатировать железнодорожный путь без ограничения максимально разрешенной скорости движения.
При возникновении дефектов рельсам присваивается Ст. 2. Как правило, данная степень важности присваивается при поздней проверке рельсов или при несвоевременном профилактическом шлифовании.

Ст. 3 присваивается в том случае, когда дефект уже перешел в активную стадию развития. В таком случае необходимо срочно произвести шлифовку в первоочередном порядке, иначе дефект может развиться до необратимого состояния, в результате которого придется выполнять замену рельса.
Таким образом, можно сделать следующий вывод: чем выше степень важности (Ст. 1 – менее важная; Ст. 2 – важная, Ст. 3 – наиболее важная), тем быстрее необходимо провести шлифовку.

В обобщенном виде данные характеристики дефектов представлены на рисунке 2.

На основе классификации по степеням важности проведено ранжирование дефектов по приоритетности шлифования рельсов с учетом категории железнодорожного пути и условий эксплуатации. Результаты ранжирования сведены в таблицу (ввиду объемного содержания таблица не включена в статью). Числовой ряд 1…18 характеризирует категорию приоритетности шлифования рельсов, где 1…4 – особо важная, 5…8 – наиболее важная, 9…12 – важная, 13…18 – менее важная.
Практическую реализацию процесса определения приоритетности шлифования участков железнодорожного пути укрупненно можно представить в виде блок-схемы (см. рис. 3).

Зная эти данные, дефектам присваивается степень важности (см. рис. 1). Далее определяется порядковый номер приоритетности шлифования. Поскольку дефектов на одном участке может быть несколько и с разными размерами, то ранги дефектов суммируются по каждому участку железнодорожного пути. В итоге более приоритетным считается тот участок, который набрал наименьшее суммарное ранговое число.

После присвоения дефектам степени важности (Ст. 1, Ст. 2 или Ст. 3) и определения ранга приоритетности участка пути необходимо принять решение о целесообразности проведения работ по шлифованию рельсов. При этом может быть два варианта развития событий:

При любом из двух вариантов вероятность изменения степени важности дефекта рельса можно представить как вероятности перехода в следующей цепи Маркова:

Примем в качестве критерия принятия решений о необходимости шлифования функцию дохода. При этом будет определяться прибыль или убыток за период между шлифовальными операциями с учетом возможных переходов рельсов от одной степени важности к другой. Доход или убыток компании будет зависеть от принятого решения. В данном случае полагаем, что те денежные средства, которые удалось сэкономить при своевременном шлифовании рельсов, расцениваются как заработанные.

Рассматриваемый подход назначения шлифовальных операций содержит конечное число этапов, поскольку невозможно сохранять рельсы постоянно пригодными для эксплуатации, проводя операции по шлифованию. Имея результаты проверки рельсов необходимо выбрать наилучшую стратегию поведения (шлифовать рельсы или нет). При этом оптимальность принятого решения основывается на максимизации ожидаемого дохода. Таким образом можно произвести оценку ожидаемого дохода по заранее определенной стратегии поведения при том или ином состоянии рельсов. Например, может быть принято решение всегда назначать шлифовальные операции в первоочередном порядке, если рельсам присвоена Ст. 3, вне зависимости от заложенного бюджета и интенсивности эксплуатации пути. В таком случае процесс принятия решений описывается стационарной стратегией.

Рассматриваемую задачу возможно представить, как задачу динамического программирования с конечным числом этапов.

Общие выводы

1. Предложен принципиально новый подход в планировании работ по шлифованию рельсов в условиях железнодорожного пути, позволяющий обеспечить своевременную шлифовку рельсов с минимальными затратами и обеспечить повышение эффективности эксплуатации, содержания и ремонта железнодорожного пути.
2. Разработана классификация дефектов рельсов, которые возможно устранить шлифованием, по трем степеням важности. Данная классификация необходима для интеграции дефектов и их параметров с технологией шлифования рельсов для создания критериальной системы планирования работ.
3. На основе классификации дефектов рельсов по степеням важности выполнено ранжирование по приоритетности шлифования рельсов с учетом категории железнодорожного пути и условий эксплуатации. Результаты ранжирования сформированы с использованием числового ряда, который характеризует категории приоритетности как особо важные, наиболее важные, важные и менее важные.
4. Разработана модель динамического программирования с конечным числом этапов. Основная цель планирования работ сводится к поиску оптимальной стратегии с целью максимизации дохода и обеспечения бесперебойной работы железнодорожного пути. Предложенный подход позволяет планировать работы по шлифованию рельсов с учетом обеспечения безопасности движения поездов, недопущения развития дефектов и образования остродефектных рельсов.
5. Предлагаемые направления развития производственного процесса шлифования рельсов в перспективе позволят устранить недостатки в организационной структуре и, как следствие, повысить эффективность функционирования и качество организации производственной системы за счет обеспечения периодичности выполнения работ, учета фактического состояния рельсов и обеспечения взаимосвязи результатов планирования и выполнения работ по шлифованию рельсов.

Библиографический список

1. Hempe T., Siefer T. Rail Engineering International, 2007, № 3, P. 6–12 // Шлифование рельсов как компонент эффективного текущего содержания пути. – Железные дороги мира, 2009. – № 1. – С. 67–75.
2. Ильиных, А. С. Российский и зарубежный опыт эксплуатации рельсошлифовальных поездов / А. С. Ильиных, А. В. Матафонов // Наука и техника транспорта. – 2014. – № 3. – С. 100–104.
3. Стратегия шлифования рельсов // Железные дороги мира. – 2010. – № 10. – С. 66–71. – (По материалам компаний Speno International и Deutsche Gesellschaft fur zerstorungsfreie Prufung).