Диагностика технического состояния устройств контактной сети Абаканской дистанции электроснабжения

Железнодорожный транспорт представляет собой сложную техническую систему. Его различные отрасли образуют подсистемы, одна из которых — электроснабжение. Эффективность функционирования технической системы зависит от показателей качества, одним из которых является надежность. Она тесно связана с экономическими показателями. Выбор оптимальной надежности, как и многие инженерные решения, представляет собой задачу с альтернативными условиями. Так, чем выше надежность, тем меньше ущерб от отказов технических устройств. С другой стороны, для ее увеличения необходимы дополнительные затраты. Необходимо отметить, что цель функционирования технической системы реализуется в коммерческой деятельности. Например, для хозяйства электроснабжения она заключается в преобразовании электрической энергии, получаемой от внешних энергетических систем, к виду, удобному для использования тяговыми (контактная сеть) и нетяговыми железнодорожными потребителями.

В свою очередь технический ущерб зависит от числа и длительности отказов (времени восстановления). Поэтому для решения поставленной задачи необходимо знать закономерности и причины изменения показателей надежности, работоспособности отдельных элементов системы электроснабжения. Полный ущерб от отказов устройств контактной сети железнодорожного транспорта зависит от степени использования пропускной способности конкретного участка дороги. Чем больше время восстановления работоспособного состояния устройства, вызвавшего нарушение графика движения, тем больше число задержанных поездов. Кроме нарушения технологического процесса, отказы могут привести к крушениям поездов, гибели людей и экологическим катастрофам.

Кроме того, интенсивная эксплуатация устройств железнодорожного транспорта является причиной их ускоренного износа, старения и возрастания числа отказов. Поэтому чем выше степень использования пропускной способности, тем более эффективными будут меры, повышающие надежность.

В последние годы в России идет спад производства и объема перевозок. Для сохранения производительности труда и снижения эксплуатационных затрат сокращают численность обслуживающего персонала. В отраслях железнодорожного транспорта, занимающихся в основном или только технической эксплуатацией, потребная численность эксплуатационного персонала слабо зависит от размеров движения. К таким отраслям относится хозяйство электроснабжения, в которой в настоящее время ресурс контактной сети истекает. Это объясняется большими масштабами электрификации железных дорог страны в соответствии с генеральным планом, принятым в 1956 г и рассчитанным на 15 лет. Это обстоятельство требует научно-обоснованного подхода к сокращению численности кадров, учитывать совершенствование технического обслуживания, укрепление ремонтной базы и повышение квалификации инженерно-технического персонала.

Возникающая сложная задача — поддержание объектов системы электроснабжения в процессе их эксплуатации в работоспособном состоянии в условиях ограниченных ресурсов может быть решена только с использованием теории надежности и ее основной части — теории технического обслуживания. Значительный эффект способен дать переход от обслуживания по нормам к техническому обслуживанию по состоянию. Этот метод можно применить при использовании теории технической диагностики и широком внедрении средств диагностирования.

На этапе эксплуатации надежность объекта поддерживается своевременным проведением регулировок, заменами отдельных элементов. На данной стадии надежность объекта формируется за счет качественного технического обслуживания.

Эксплуатация контактной сети осуществляется своевременным проведением работ по техническому обслуживанию (ТО), капитальному ремонту (КР), обновлению и реконструкции (ОР). При техническом обслуживании устройств контактной сети осуществляются: ежедневное наблюдение за их состоянием, регулярное проведение осмотров (объездов и обходов) — ТО-1, диагностические испытания и измерения — ТО-2 и технические обследования — ТО-3.

ТО-1 осуществляют с целью своевременного выявления отклонений от нормального состояния контактной сети.

ТО-2 устройств контактной сети проводят с целью выявления неисправностей или отклонений от нормативных требований и регламентированных параметров, с целью установления необходимости их ремонта или замены. Работы по диагностированию, испытаниям и измерениям проводят, как правило, специально обученный персонал с использованием вагонов-лабораторий, приборов, штанг и других средств технического диагностирования.

При ТО-3 проводится тщательное обследование всех обслуживаемых устройств с земли, а для контактной подвески, кроме того, с площадки автомотрисы или съемной вышки (верховой осмотр) проводимые с проверкой состояния устройств, определением объемов и видов ремонта, не выявленных в результате ТО-1 и ТО-2, и уточнением сроков их выполнения.

ТР обслуживаемых устройств и их отдельных узлов и элементов и сроки их выполнения назначают в зависимости от технического состояния и характера неисправностей, выявленных при техническом обслуживании (ТО-1, ТО-2 и ТО-3), а также срока эксплуатации, степени загрязненности атмосферы и категорийности электрифицированного участка.

Электрификация участка железной дороги, в границах Абаканской дистанции электроснабжения проводилась: Междуреченск-Абакан — в 1964 г. (вторые пути — в 1980;90 гг.), Абакан-Стофато — в 1965 г. (вторые пути — в 1985;90 гг.), Бискамжа-Тея — в 1978 г. Таким образом, большая часть контактной сети проработала более 40 лет и находится в периоде старения (износа).

Развернутая длина дистанции составляет 1274,995 км, эксплуатационная длина — 556,3 км. Обслуживание проводят 10 районов контактной сети.

Дипломная работа посвящена анализу технического состояния устройств контактной сети на основе их диагностических испытаний и измерений.

1. Контактная подвеска Контактная подвеска во взаимодействии с токоприемниками должна обеспечивать бесперебойный токосъем при движении поездов с установленными скоростями, весовыми нормами, размерами движения при расчетных климатических условиях района.

Для чего подлежат контролю:

— габариты устройств контактной сети (высота подвески, уклон контактного провода (КП), расстояния КП до различных устройств расстояния от оси пути до внутреннего края опор и их фундаментов);

— площадь сечения проводов и тросов контактной сети;

— качество токосъема и износ контактного провода;

— натяжения и стрелы провеса проводов и тросов контактной сети;

— расположение проводов в плане;

— сопряжения анкерных участков;

— воздушные стрелки;

— изоляторы, изолирующие вставки;

— секционные изоляторы;

— струны;

— фиксирующие устройства;

— электрические соединители;

— анкеровка проводов и компенсирующие устройства,

— арматура;

— тяговые рельсовые цепи;

— опорные устройства и поддерживающие конструкции,

— заземления.

Характеристика контактной подвески Абаканской дистанции электроснабжения представлена в таблице 1.1

Таблица 1.1 — Характеристика контактной подвески

Типы применяемых контактных подвесок перегонов и главных путей станций: полукомпенсированная рессорная (КС-120) — первого этапа электрификации (1964;65 гг.), компенсированная рессорная (КС-140) — второго этапа электрификации (1980;90 гг.)

1.2 Измерение параметров контактной подвески инструментами и приборами

1.2.1 Измерение изолирующей штангой с земли На прямом участке пути изолирующую штангу с земли завешивают вертикально на контактный провод. Шаблон устанавливают на головки рельсов таким образом, чтобы нулевое деление на шкале совпало с осью пути. В месте пересечения шаблона с осью штанги определяют зигзаг и вынос контактного провода. Высоту подвеса КП до уровня головки рельса определяют измерительной линейкой в нижней части штанги. На кривом участке пути из-за разного уровня рельсов зигзаг и вынос контактного провода относительно оси токоприёмника определяют по следующей формуле:

а = 4h l, (1.1)

где: h — возвышение наружного рельса; l — расстояние от оси пути, показанное нижним концом штанги на шаблоне.

Если штанга находится относительно оси пути ближе возвышающемуся рельсу, в формуле применяют знак «+» если ближе к рельсу, расположенному ниже, — знак «-». Возвышение наружного рельса h определяют путевым шаблоном.

1.2.2 Измерения зеркальным прибором с шаблоном Шаблон устанавливают перпендикулярно оси пути на головке рельсов; находящийся на нём зеркальный прибор передвигают по шаблону до тех пор, пока совместится отражение КП и нити со средней риской на зеркале. Зигзаг определяют по шкале шаблона с правой стороны зеркального прибора. Затем прибор сдвигают до тех пор, пока отражение контактного провода совместится с крайней риской, и получают второй замер. Определяют расстояние по шкале на шаблоне между двумя замерами. Умножив это расстояние на 10, и прибавив высоту шаблона 30 мм, получают высоту контактного провода.

1.2.3 Применение измерительных реек и угольников До замеров предварительно определяют высоту съемной вышки от уровня головки рельса до ограждения рабочей площадки. Рейки и угольники устанавливают на изолирующей съёмной вышке; предварительно они должны быть отградуированы по высоте и в плане в зависимости от высоты вышки. Замеры один из электромонтёров производит у каждой опоры и в середине пролёта, а другой заносит в журнал полученные данные.

1.2.4 Измерения прибором «Даль — 2»

" Даль — 2″ (ультразвуковой цифровой измеритель расстояния) позволяет без приближения к токоведущим частям и без снятия напряжения с воздушной линии электропередачи определять расстояние от поверхности земли до её нижнего провода. При необходимости прибором «Даль-2» можно поочерёдно измерить расстояния до двух или трёх проводов, расположенных друг над другом. По полученным данным можно проверить допустимые расстояния от поверхности земли до проводов воздушной линии, рассчитать расстояние между проводами, провести сравнение результатов измерений со знанием стрелы провеса по монтажным кривым или таблицам. При применении на железной дороге прибор «Даль-2» измерения высоты проводов даёт возможность определять боковое смещение КП.

1.3 Вагон-лаборатория для испытания контактной сети

1.3.1 Вагон-лаборатория ВИКС-76

Вагоны — лаборатории для испытания контактной сети на отечественных железных дорогах начали широко применять в шестидесятых годах. Несмотря на непрерывное совершенствование, и сегодня они измеряют не все необходимые параметры. До недавнего времени наиболее распространённым был вагон-лаборатория образца ВИКС-76 его модификации. Эти лаборатории контролировали:

— положение КП относительно оси пути в плане (зигзаг и вынос) в пределах 550 мм с интервалом 50 мм, точностью 50 мм;

Рисунок 1.1-Прибор «Даль — 2»

— высоту КП, отжатого измерительным токоприёмником, имеющим статическое нажатие 140 Н. в пределах высоты 5500…6800 мм с интервалом 50 мм и точностью 50 мм;

— положение КП отходящей ветви на воздушных стрелках ступенями 50, 100 и 150 мм ниже уровня рабочего провода.

Аппаратура вагона также фиксирует:

— уменьшение расстояния между КП и точкой крепления стержня фиксатора менее 80 мм;

— отрыв полоза токоприёмника (только для контактной сети постоянного тока).

Аппаратура рассчитана на максимальную скорость движения вагона 160 км/ч. Номинальное напряжение питания аппаратуры — 50 В постоянного тока и 220 В переменного тока. Чтобы измерять напряжение контактной сети, установлен киловольтметр. Для связи с диспетчером и машинистом в вагоне установлена радиостанция ЖР-3М. На крыше вагона оборудована смотровая вышка для визуального наблюдения за состоянием контактной сети. В аппаратном зале вагона размещены: камеры высокого напряжения, пульт записи, шкафы аппаратуры, статический преобразователь. В камере высокого напряжения установлены блоки изолирующих реле (БИР). Гальваническая развязка осуществляется при помощи хлопчатобумажной нитью со специальной пропиткой. На крыше вагона оборудована смотровая вышка для визуального наблюдения за состоянием контактной сети, размещены два измерительных токоприемника. В аппаратном зале вагона размещается камера высокого напряжения, пульт записи, шкафы аппаратуры, статический преобразователь. Под вагоном находятся аккумуляторные батареи, генераторы, выпрямители. Результаты измерений наносятся на бумажную ленту шириной 420 мм и называются регистограммой (рис. 1.2). Положение КП в плане определяется при помощи электронного датчика (рис. 1.3). На изолированной поверхности полоза токоприёмника закреплены два электрод — один сплошной, другой — секционированной на участки (ламели). Шаг ламелей на горизонтальном участке полоза составляет 50 мм. Таким образом, всё пространство возможных состояний (положений) контактного провода в горизонтальной плоскости разбитого на 22 кванта (550 мм влево от оси полоза и 550 мм вправо. Датчик работает следующим образом: КП на полозе токоприёмника перекрывает и замыкает сплошной электрод с одной или несколькими ламелями. Тем самым создаётся цепь для протекания тока от источника через сплошной электрод, участок контактного провода, ламель к катушке реле. Реле срабатывает, чем и фиксируется положение провода в пространстве. Число реле равно числу ламелей. Очевидное преимущество такого датчика — его относительная простота. К недостаткам следует отнести нередкие случаи неудовлетворительной работы при сильных загрязнениях и дожде. В подобных ситуациях на поверхности полоза образуется слой электролита, и происходят многочисленные ложные срабатывания реле. На бумажной ленте цифры печатаются сплошной чёрной полосой. Другие причины неустойчивой работы датчика — гололёд и даже изморозь, нередко присутствующие на проводе в соответствующие сезоны года.

1.3.2 Вагон-лаборатория ВИКС-ЦЭ Одним из вагонов-лабораторий контактной сети нового поколения, которые применяются всеми электрифицированными железными дорогами России, является вагон НИИЭФА (рис. 1.4), оснащенный информационно-вычислительным комплексом (ИВК), который обеспечивает полную автоматизацию процессов измерений и допускового контроля параметров контактной сети: прием и обработку сигналов измерительных преобразователях (датчиков), записи данных и результатов на жесткий диск ЭВМ, отображение получаемой информации на экране дисплея, а также распечатки протоколов инспекционных поездок.

Рисунок 1.3 -Электронный датчик Рисунок 1.4- ВИКС-ЦЭ Рисунок 1.6- Стойка аппаратуры ИВК и рабочее место оператора Рисунок 1.7-Цифровые линейные телекамеры стереотелевизионной системы ИВК показанный на рисунке 1.5, 1.6 обеспечивает:

— бесконтактное измерение высоты КП в диапазоне от 5500 до 6900 мм с погрешностью не более 10 мм;

— бесконтактное измерение положения КП (зигзаг и вынос) в плане при 1…4 проводах в диапазоне 700 мм с погрешностью не более 5 мм;

— контроль понижения КП на воздушных стрелках, положение по высоте фиксаторов и отходящих анкеровочных ветвей относительно основного КП;

— измерение усилия нажатия токоприемника на КП в диапазоне 0…400 Н с погрешностью не более 10 Н;

— регистрацию ударов по токоприемнику в диапазоне ускорений 0…50 g с погрешностью не более 0,5 g;

— регистрацию отрывов токоприемника от КП по мгновенному падению измеряемого напряжения контактной сети на время не менее 30 мс;

— измерение пройденного вагоном-лабораторией расстояния;

— автоматическую отметку опор;

— автоматическую отметку ключевых (реперных) опор;

— измерение наклона кузова вагона относительно букс колесных пар;

— измерение скорости движения вагона-лаборатории в диапазоне 1…200 км/ч с приведенной погрешностью не более 1%;

— измерение радиуса кривизны пути;

— измерение напряжения в контактной сети в диапазоне 2,7…4,0 кВ постоянного тока с погрешностью не более 10 В и в диапазоне 21…29 кВ переменного тока частотой 50 Гц с погрешностью не более 100 В;

— измерение температуры наружного воздуха в диапазоне — 50… + 50 0С с погрешностью не более 1 0С;

— отображение результатов измерений на экран дисплея персональной ЭВМ рабочего места оператора ВИКС в графическом виде в реальном масштабе времени;

— запись результатов измерений на жесткий диск персональной ЭВМ и накопитель информации на магнитном диске большой емкости типа ZIP с формированием архива измеренных параметров контактной сети;

— диалог оператора с ЭВМ без прерывания процессов приема, обработки, отображения и архивации результатов измерений;

— привязку результатов измерений к показаниям датчика скорости и пройденного пути, точкам фиксации контактного провода;

— автоматизированное самодиагностирование неисправностей ИВК;

— фиксацию отклонений измеряемых параметров контактной сети с ведением протокола;

— ввод визуальных показателей (несоответствие положения фиксатора, несоответствие расстояния грузов компенсатора от земли до ролика температуре воздуха, обрыв жил проводов, разбитый изолятор, наклон опоры, отсутствие заземления опоры, отсутствие нумерации опор, обрыв струнки и т. п.);

— расчет «балльной оценки» состояния контролируемого участка контактной сети на основе результатов измерений и визуальных наблюдений;

— телевизионное наблюдение за контактной сетью с выводом измеряемых показателей на экран телевизора и записью на видеомагнитофон.

Бесконтактные измерения высоты подвески и положения в плане КП осуществляется с помощью стереотелевизионной системы, использующей три цифровые линейные телекамеры показанные на рисунке 1.7 с электронными диафрагмами и встроенными сигнальными микропроцессорами. Телекамеры защищены от воздействий внешней среды вращающимися иллюминаторами, а в нерабочем положении — геометрической заслонкой с гидроприводом внутри вагона. Измерения параметров обеспечивается при любой погоде.

На рисунке 1.8 приведен (передний план, в центре) электромеханический (на базе вращающегося трансформатора) датчик высоты контактного провода, используется под искусственными сооружениями и как резервный.

Рисунок 1.8-Электромеханический датчик высоты контактного провода Измерения силы нажатия токоприёмника на контактный провод обеспечивается оптоволоконными датчиками нажатия, использующие тензочувствительные оптические элементы, рисунок 1.9, датчики, размещённые под каретками. По своему принципу действия датчики нажатия обеспечивают оптическую высоковольтную развязку аппаратуры внутри вагона от контактного провода. В результате модификации датчиков радикально уменьшена их масса и аэродинамическое сопротивление, что повысило точность измерений нажатия.

Измерения вертикальных ускорений для учёта массы полоза токоприёмника при измерениях нажатия (два акселерометра по краям полоза) и продольных ускорений в горизонтальной плоскости для регистрации ударов и подбоев (один акселерометр в середине полоза) как показано на рисунке 1.10.

Измерения напряжения на контактном проводе осуществляются первичным измерительным преобразователем-универсальным резисторным компенсированным делителем напряжения как показано на рисунке 1.9 — передний план, справа.

Рисунок 1.9- Измерительный преобразователь (передний план, справа) Рисунок 1.10- Смотровая вышка Средства измерений скорости движения вагона (в пределах 0−200 км/ч) и пройденного им пути в пределах — устройство с датчиками ЭДС Холла, устанавливаемое на буксе колёсной пары.

Средства измерений перемещений кузова вагона относительно уровня головки рельса — датчики с вращающимися трансформаторами с тросовыми приводами и встроенными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП).

Измерения возвышения головки наружного рельса в пределах используются устройства на основе электромеханических гироскопов или прибор аналогичного назначения на основе лазерного гироскопа.

Средство измерений радиуса кривизны пути — датчик угла поворота тележки на основе вращающегося трансформатора.

Измерения температуры окружающей среды осуществляются термометром сопротивления.

В ВИКС предусмотрено оснащение тепловизионной установкой для контроля нагрева дефектных контактных соединений во время объезда, ведутся научные разработки по автоматизации этого процесса, а так же применение других методов для диагностирования подвесной и фиксаторной изоляции.

Для обеспечения работы оборудования электроснабжение вагона может осуществляться: от подвагонного генератора в движении, от аккумуляторной батареи через инверторы, от дизель-генератора, от распределительного устройства 0,4 кВ через кабель во время стоянки.

В вагоне-лаборатории имеются смотровая вышка, рисунок 1.10, купе для отдыха персонала, кухня, рисунок 1.11, столовая, рисунок 1.12, туалет с душем.

Рисунок 1.11- Кухня Рисунок 1.12- Столовая

1.4 Балльная оценка состояния контактной сети Балльная оценка состояния контактной сети является комплексным показателем, отражающим техническое состояние контактной сети.

Балльная оценка состояния контактной сети определяется на основании инспекционных объездов электрифицированного участка вагоном-лабораторией по следующим группам показателей: регистрируемым (измеряемым), визуальным (при осмотре во время объезда) и учитываемым (по наличию повторных отступлений от нормативных регистрируемых параметров и случаев повреждений и браков в работе за прошедший период).

За каждое отклонение показателя от нормативного значения начисляются штрафные баллы по утвержденной методике и выводится средний штрафной балл путем деления суммы штрафных баллов на количество проверенных километров. В зависимости от среднего балла устанавливается оценка состояния контактной сети по ЭЧК, ЭЧ и службы Э в целом: до 50 — отлично, от 50 до 100 — хорошо, от 100 до 150 — удовлетворительно, более 150 — неудовлетворительно. Инспекционные объезды проводятся ежеквартально, объезд с повышенным нажатием — ежегодно, контрольные объезды назначаются по указанию руководства ЦЭ и Э. В объезде принимают участие кроме персонала вагон-лаборатории, начальник дистанции электроснабжения или его заместитель, инженер дистанции электроснабжения, начальники или старшие электромеханики районов контактной сети. Бальная оценка показана в таблицах 1.2 — 1.4

Таблица 1.2- Штрафные баллы (регистрируемые показатели)

Таблица 1.3- Штрафные баллы (визуальные показатели)

Таблица 1.4 — Штрафные баллы (учитываемые показатели)

Структура построения балльной оценки такова, что отклонение параметров, влияющие на безопасность движения поездов и на экономические показатели процесса взаимодействия контактной сети и токоприемников оценивается предупредительными баллами (от 10 до 200 баллов), отклонения от нормируемых показателей, угрожающее безопасности движения поездов и надежности процесса токосъема токоприемников, оцениваются 400 баллами.

При повторении отклонений, ранее оцененных 400 баллами, в одном и том же месте количество баллов увеличивается в 5 раз. При наличии трех и более таких повторений ЭЧК выставляется оценка неудовлетворительно. По остальным отклонениям количество баллов удваивается.

2. Опоры контактной сети

2.1 Опоры контактной сети как объект диагностирования Основным видом опор контактной сети являются железобетонные (95%), процесс совершенствования которых привел к эксплуатации большого количества различных типов опор, конструктивные особенности которых влияют на их техническое обслуживание и срок службы.

2.1.1 Основные типы опор

— ЖБК (1957) — опора из ненапряженного бетона имеет большой запас несущей способности (арматура в виде 12−16 стальных стержней диаметром 10−14 мм). (рис. 2.1) Несмотря на недостатки (самопроизвольное поперечное растрескивание и др.), в целом, этот тип оказался наиболее удачным, имеет большой запас несущей способности. Крепление консоли на хомутах — удачное с точки зрения изоляции арматуры от цепей заземления.

— СЖБК (1957) — из предварительно напряженного бетона с арматурным каркасом в виде пакета петель из высокопрочной проволоки, рисунок .2.2. Крепление консоли на хомутах.

— СК (1966), СКУ (1970) — опоры с предварительно напрягаемой арматурной проволокой, рисунок 2.2, с отверстиями для закладных деталей, для изоляции которых используются резиновые трубки, СКЦ (1976) — наличие 8 вентиляционных отверстий и изоляция из полиэтилена. Для дорог переменного тока внутрь опоры укладывался заземляющий проводник, что приводит к снижению сопротивления опоры менее 100 Ом.

— С 1983 г. введен в действие ГОСТ 19 330–83 «Стойки железобетонные для опор контактной сети железных дорог», в соответствии которому термин опора включает в себя конструкцию в целом (с закладными деталями, консолью и т. д.), само же железобетонное изделие называется стойка.

Рисунок 2.1- Арматура опоры ЖБК Рисунок 2.2- Арматура опор СЖБК, СК, СКУ, СКЦ, С Стойки выпускались следующих типов:

— С — с проволочной напрягаемой арматурой (4−5 мм).

— СО — с проволочной напрягаемой арматурой и с ненапрягаемой стержневой в фундаментной части.

В дальнейшем добавили

— СС — с проволочной напрягаемой арматурой и с ненапрягаемой стержневой по всей длине (12−14 мм).

Имеют в отверстиях стенок изолирующие элементы, имеют выводы диагностического провода, а так же одой арматурной проволоки для измерения сопротивления, которое должно быть не менее 10 кОм.

ГОСТ устанавливает требования к применяемым материалам и комплектующим, порядок и правила приемочных испытаний и т. д.

Требования ГОСТа к номинальной толщине защитного слоя во всех типах стоек — 235 мм. Во всех случаях для предотвращения коррозии арматуры — не менее 15 мм.

В 1999 г. вышла новая редакция ГОСТа [3]:

Стойки выпускаются типов:

— СС — устанавливаемые в фундаменты стаканного типа или закапываемые непосредственно в грунт (нераздельные).

— ССА — с болтовым креплением к фундаменту (раздельные).

— СП — с рабочей стержневой напрягаемой арматурой.

— СТ — с рабочей стержневой напрягаемой арматурой и уменьшенной коничностью.

В стойках СС для использования на участках контактной сети постоянного тока изготавливается с диагностическим проводником — металлическим стержнем в нижней части в зоне вентиляционных отверстий.

На стойках длиной 13 600 и 15 600 мм должен быть установлен репер (металлический стержень, выступающий за внешнюю поверхность стойки, обозначающий положение условного обреза фундамента). Допускается совмещение репера и диагностического проводника.

На все стойки наносятся риски — центр тяжести.

Стойки поставляются с установленными деталями для крепления консолей и кронштейнов:

для участков постоянного тока — с несъемными изолирующими втулками, а также, со съемными втулками-прокладками и закладными болтами, установленными в отверстия при изготовлении стоек;

для переменного тока — со съемными втулками-прокладками и закладными болтами.

2.1.2 Факторы, влияющие на надежность опор Срок службы железобетонной конструкции зависит от толщины бетона до арматуры.

Бетон защищает сталь щелочной средой рН11.

Бетон по своей структуре пористый материал, и может активно впитывать влагу и воздух из окружающей среды и его защитные свойства нельзя уподобить действию обычных покрытий, механически изолирующие металл от внешней среды (как, например, защитное покрытие металлических опор). Защитное свойство бетона обуславливаются способностью поддерживать высокую щелочность впитанной влаги, которая обеспечивает пассивность поверхности металла, и в первую очередь приарматурного слоя, на которой образуется защитная пленка гидрооксида железа. Все известные коррозийные повреждения арматуры в железобетоне, так или иначе связаны с разрушением этой пленки. Особенно опасны кислые почвы с рН=3−6 (гумусовые и болотистые), а так же почвы, имеющие активаторы (которые не меняют рН, но разрушают защитную пленку — хлориды).

Вместе с тем существует ряд факторов, агрессивно воздействующие на железобетон:

1) Природные воды, которые вымывают из бетона его составляющие, в первую очередь гидрооксид кальция.

2) Углекислота, содержащаяся в природных водах, присутствующая в почвах, воздухе. СО₂+Са (ОН)₂ = СаСО₃+Н₂О — химическая реакция, образуется карбонат кальция, наблюдаемый на поверхности бетона в виде белых пятен и натеков.

3) Циклическое замерзание и оттаивание содержащейся в капиллярах и порах бетона влаги вызывает постепенное разрушение структуры бетона.

4) Действие тока (электрокоррозия) — на участках постоянного тока тяговый ток стекает через заземление и опоры в землю в анодных и знакопеременных зонах — процесс гидролиза с вымыванием ионов железа из арматуры. На участках переменного тока опасность электрокоррозии в 100 раз ниже.

5) Действие механических эксплуатационных нагрузок.

6) Механические повреждения вследствие наездов путевой техники, ударов и т. д.

Таким образом, комплекс погодно-климатических и эксплуатационных факторов приводит к потере прочности железобетона. Такие процессы развиваются во всех опорах с той или иной степенью интенсивности, наиболее быстро в бетоне опор с низким качеством изготовления и прежде всего с несоблюдением толщины стенки.

Наблюдения за состоянием опор и данные научных исследований показывают изменения несущей способности во времени, рисунок 2.3. На первом этапе накопление микротрещин происходит достаточно медленно. Его продолжительность зависит от условий эксплуатации и качества изготовления.

На втором этапе несущая способность начинает резко снижаться вследствие прогрессирующего лавинного накопления в бетоне микроповреждений. Применение средств диагностирования улучшает ситуацию, но полностью вопрос не решает.

Исходя из вышеизложенного, становится очевидна необходимость технического контроля (диагностирования) опор в процессе эксплуатации.

Первые попытки такого рода работ проводились в 1984;85 гг. Пробовали два метода:

1) отрыва со скалыванием (трудоемкий, повреждающий конструкцию);

2) отскока (принцип связи прочности с упругими качествами бетона, определяет прочность поверхности опор без трещин).

В Указаниях (К-146−2002) для диагностирования опор определен наиболее перспективный ультразвуковой метод. Преимущества этого метода следующие:

1) Контроль прочности по всему объему бетона.

2) Возможность контроля в любой точки конструкции.

3) Простота и производительность.

4) Наличие портативного прибора.

2.2 Входной контроль железобетонных опор На Красноярской ж.д. разработаны методические указания [6], согласно которым все стойки должны проходить приемочный контроль, который должен осуществляться работниками дистанций электроснабжения. Цель контроля — проверка качества изготовления и соответствия их требованием ГОСТа. Контроль включает в себя следующие этапы:

1) Проверка документации. На поставляемую партию стоек должен быть паспорт, в котором дополнительно указывается марка бетона по морозостойкости и водонепроницаемости, класс и диаметр проволочной или стержневой арматуры, виды материалов для антикоррозийных покрытий, а также ограничения по области применения стоек. По требованию заказчика предприятие-изготовитель обязано сообщить результаты лабораторных испытаний.

2) Проверка маркировочных надписей и рисок Маркировка стоек должна включать: тип стойки, наименование завода-изготовителя, заводской номер и дату изготовления. На поверхности стойки должна быть нанесена риска «Ц.Т.» — центра тяжести.

3) Проверка наличия предусмотренных проектом закладных деталей, диагностического провода и репера. Концевая часть диагностического проводника не должна выступать за поверхность опоры более чем на 10 мм, выступающие части диагностического проводника и репера должны быть окрашены или оцинкованы.

4) Проверка гидроизоляционных и антикоррозийных покрытий Торцы нераздельных стоек должны быть заделаны бетонными заглушками. Для контроля качества внутренней поверхности стоек в нижних заглушках рекомендуется устройство отверстий диаметром до 100 мм. Нижние торцы раздельных стоек, предназначенных для установки в фундаменты стаканного типа, должны быть оштукатурены слоем цементного раствора, толщина которого должна превышать длину выступающих арматурных стержней или проволок не менее чем на 10 мм. Допускается при условии обрезки арматуры заподлицо с торцевой поверхностью гидроизоляция на предварительно выровненную цементным раствором поверхность. Наружная поверхность фундаментной части стоек типа СС длиной 13.6 и 15.6 м на протяжении 4 м должно быть нанесено гидроизоляционное покрытие. Металлические башмаки стоек типа ССА должны быть защищены от коррозии. Стойки, предназначенные для эксплуатации в агрессивной среде, должны иметь антикоррозийную защиту по всей поверхности воздействий. Виды покрытий должны соответствовать указанным в рабочих чертежах или заказе на их изготовление.

5) Проверка наружной поверхности Отсутствие жировых и ржавых пятен, подтеков. На наружной поверхности стоек, за исключением места стыка полуформ, не допускаются:

раковины диаметром более 6 мм глубиной более 3 мм;

более одной раковины на 2 м длины стойки;

местные наплывы (впадины) высотой (глубиной) более 3 мм;

сколы бетона глубиной более 3 мм и диной более 50 мм на 1 м длины;

На наружной поверхности стоек в месте стыка полуформ, не допускаются:

раковины и щели;

местные наплывы (впадины) высотой (глубиной) более 3 мм и шириной более 2 мм;

уступы (по стыку полуформ в зоне установки изолирующих элементов) высотой более 3 мм.

В бетоне стоек не допускается трещины, за исключением поверхностных усадочных с шириной раскрытия не более 0,1 мм. Длина поверхности усадочных трещин должна быть не более 50 мм, а их число — не более пяти на 1 м длины стойки.

6) Проверка внутренней поверхности (выборочно) Обвалы бетона или арматуры не допускается.

7) Проверка геометрических размеров (выборочно) Отклонения действительных значений геометрических параметров стоек от номинальных не должны превышать предельных: длина 20 мм, наружный диаметр 5 мм, диаметр отверстия 2 мм, расстояние между центрами отверстий 2 мм, размер, определяющий положение отверстия 5 мм, толщина стенки +30 — 5.

8) Проверка толщины наружного защитного слоя Осуществляется неразрушающими методами (приборы ИЗС-10Н, ИПК-1 и т. п.) на контролируемых участках, числом не менее 9 (расположение их должно быть указано в рабочих чертежах). Отклонение не должно превышать 5 мм по всей поверхности стойки и при этом толщина наружного защитного наружного слоя бетона должна быть не менее 16 мм.

9) Проверка толщины внутреннего защитного слоя (выборочно) Осуществляется путем линейных измерений на каждом торце стоек в четырех точках (по концам взаимно перпендикулярных диаметров), за среднее отклонение принимается среднеарифметическое результатов этих четырех замеров. Отклонение от номинальной в сторону уменьшения не должно превышать: местное — 10 мм, среднее — 5 мм, при этом толщина внутреннего защитного наружного слоя бетона должна быть не менее 20 мм.

10) Проверка сопротивления изолирующих элементов Электрическое сопротивление между арматурой стоек (диагностическим проводником) и деталями для крепления консолей и кронштейнов измеряется мегаомметром на 500 В и должно быть не менее 10 000 Ом (при сухой поверхности бетона, изолирующих элементов и деталей).

11) Проверка прочности бетона Осуществляется неразрушающим контролем ультразвуковым методом (допускается применение других стандартизованных методов) прибором УК1401 путем поверхностного прозвучивания стоек по линии, перпендикулярной направлению рабочей арматуры. Более подробное применение ультразвукового метода описано ниже.

Таблица 2.1 — Результаты проверки прочности бетона

Диагностирование железобетонных опор ультразвуковым методом Диагностирование опор проводится с целью выявления скрытых дефектов и определения несущей способности железобетонных опор.

Диагностирование проводят прибором UK1401 — ультразвуковым тестером, предназначенным для измерения времени и скорости распространения продольных ультразвуковых волн при поверхностном прозвучивании который показан на рисунке 2.4

Рисунок 2.4 — Прибор UK1401

Рисунок 2.5- Прибор ИЗС-10Н Рисунок 2.6- Определение типа опоры прибором ИЗС-10Н Диагностирование проводится сухую погоду при относительной влажности не более 90% и температуре воздуха не ниже +5 ^О С, после периода дождей не ранее, чем через 2 — 3 дня.

Диагностирование надземной части железобетонных опор с оценкой несущей способности проводится:

раздельных опор с усиленной изоляцией и повышенной надежностью (типа СС, СП, СТ, ССА) — по состоянию, но не позднее 12 лет после ввода в эксплуатацию, далее — по результатам обследования;

остальных опор — 1 раз в 6 лет.

Диагностирование проводится в следующем порядке:

Уточняется по Книге металлических и железобетонных опор (ЭУ-87) тип, нормативная несущая способность, назначение, срок службы (год установки), данные последних осмотров и предыдущего диагностирования. При отсутствии данных тип опоры определяется с использованием прибора ИЗС-10Н, рисунок 2.5; установить указатель диаметров арматуры на «4», перемещая преобразователь по окружности, следить за показаниями прибора, рисунок 2.6; если показания прибора меняются от 3−4 мм до 10−15 мм — то опора типа ЖБК, СС, СП, СТ, если показания около 15−18 мм, то опора типа СЖБК, СК, СКУ, С (предварительно напряженная).

Определяется места и порядок прозвучивания. У опор типа СЖБК измерения проводят на высоте 1,2−1,5 м от поверхности земли и 0,5−0,7 м ниже крепления пяты консоли (в этом случае категория работ по электробезопасности — вблизи от частей, находящихся под напряжением, с подъемом на высоту, работа выполняется по наряду). Для других типов — только в нижней части со стороны пути. При наличии на поверхности опоры зон с сеткой мелких трещин измерения должны проводится дополнительно в этих зонах. При наличии продольных трещин прибор устанавливают так, чтобы трещины находились вне базы измерений, в зонах мелких трещин прибор устанавливают так, чтобы в базу измерений попало наибольшее их количество. Прибор настраивается на измерение времени прохождения сигнала в мкс., последовательно прикладывая к поверхности опоры (рис. 2.7) и отнимая от нее, добиться устойчивых показаний (отличающихся не более чем на 5% на расстоянии до 100 мм), зафиксировать по три показания времени распространения ультразвука при положении прибора поперек опоры и вдоль ее. Среднее значение результатов измерений занести в карту измерения (карточку дефектной опоры), указав место замеров. Неустойчивые показания прибора характеризуют дефектность структуры бетона, и является дополнительным признаком снижения прочности опоры.

Обработка результатов и оценка состояния опоры: По каждому месту измерений определить среднее из трех замеров и показатели прочности бетона П1 — время распространения ультразвука в поперечном направлении:

П1 = t_попер

и П2 — отношение П1 к времени распространения ультразвука в продольном направлении (среднее из трех замеров):

П2 =П1 / t_прод

Физически показатель П2 характеризует степень насыщения бетона микроповреждениями и является основным при оценке состояния опор.

По указанным показателям оценивается несущая способность опоры и определяется условия ее дальнейшей эксплуатации:

Таблица 2.2 — Результаты оценки несущей способности опоры

Результаты оформляются актом (протоколом) и заносятся в книгу опор ЭУ-87, на дефектные опоры оформляют карточки (см. Приложение 2). При диагностировании подземной части с откопкой ставят на оттяжки откапывают на 1 м и выдерживают 4−5 дней, затем проводят измерения по той же методике.

2.3 Обследование металлических конструкций К металлическим опорным конструкциям контактной сети относятся опоры и ригели жестких поперечин. Они представляют собой решетчатые пространственные фермы, у которых элементы решетки (раскосы, стойки, связи) приварены непосредственно к поясам без косынок. Они способны воспринимать расчетную нагрузку в том случае, если элементы их будут прямолинейными, не появятся трещины и надрезы в них, не будет опасных коррозионных разрушений.

Для металлических опор основной метод определения технического состояния — визуальный. Оценку состояния конструкций следует проводить на основе анализа результатов визуальных осмотров, данных по агрессивности среды, измерения степени износа элементов и прогибов их, а в отдельных случаях и металлографических исследований. Последние следует выполнять тогда, когда возникает сомнение в правильности применения марки стали для изготовления конструкций. Основанием для этого должны являться хрупкие разрушения отдельных элементов, большие местные коррозионные повреждения, в особенности коррозионное растрескивание, межкристаллитная коррозия, сквозная коррозия при малом среднем уменьшении толщины уголков, накладок и косынок, наличие трещин в конструктивных элементах. Для проведения металлографических исследований должны привлекаться специализированные лаборатории.

Обследование с проверкой состояния и оценкой несущей способности металлических опор, ригелей, консолей, кронштейнов, траверс и других конструкций с обычным лакокрасочным покрытием должно проводится по состоянию, но не реже чем 1 раз в 6 лет и 1 раза в 3 года в зонах с сильной агрессивной средой. Для конструкций с усиленным антикоррозийным покрытием по состоянию, но не позднее, чем через 12 лет после ввода в эксплуатацию и 6 лет в зонах с сильной агрессивной средой, далее по результатам обследования. Обследование также должно выполняться после каждой аварии или наезда на них подвижных средств, смещения грунта, камнепадов и других аналогичных воздействий.

При визуальном осмотре необходимо проверять:

— общее состояние защитного покрытия;

— наличие местных разрушений защитного покрытия;

— общее коррозионное состояние конструкции;

— наличие трещин в основных конструктивных элементах (поясах, раскосах, связях, косынках, накладках, фланцах и др.);

— состояние соединений элементов конструкций;

— наличие прогибов, погнутостей, искривлений.

Осмотр состояния защитных покрытий должен проводиться в сухую погоду при хорошей освещенности.

Признаками разрушения защитного покрытия следует считать изменение цвета его, появление пузырей и вспучиваний, возникновение сетки трещин, отслаивание и шелушение. О потере защитных свойств покрытия свидетельствуют также бурые пятна на окрасочном слое. Особо тщательно необходимо осматривать состояние защитных покрытий в местах с повышенной агрессивностью среды. Для определения толщины полок конструктивных элементов, подвергшихся коррозии, можно использовать индикаторные скобы, штангенциркули с игольчатыми губками и другие аналогичные приборы. Выявление трещин в элементах конструкций и соединениях их является наиболее ответственным этапом обследования. Признаками образования трещин могут служить разрушения слоя краски и выступающие полосы ржавчины краснобурого цвета. Вновь образованные трещины могут быть очень тонкими. Для их обнаружения необходимо применять лупы или микроскоп МПБ-2. В качестве дополнительного средства выявления трещин следует применять простукивание. В зоне трещин металл при ударах издает глухой звук. При обнаружении признаков, указывающих на наличие трещин, необходимо снять с поверхности металла окрасочный слой и более внимательно осмотреть ее, определяя с помощью МПБ-2 ширину, начало и конец трещины. При внешнем осмотре состояния болтовых и заклепочных соединений должны проверяться целостность болтов и заклепок, плотность соединения, отсутствие щелевой коррозии между элементами. Целостность болтов и заклепок определяется по наличию трещин в них. Признаком наличия поперечных трещин в стержневой части болтов и заклепок является ослабление их. При внешнем осмотре ослабление обнаруживается по ржавым подтекам из-под головок болтов и заклепок, а так же по трещинам в краске вокруг головок. Ослабление болтов и заклепок может быть легко обнаружено при их обстукивании. При обстукивании слабая головка издает дребезжащий звук. Прямолинейность элементов конструкций следует проверять натяжением вдоль их шнура или приложением линейки.

При приемке в эксплуатацию необходимо особое внимание обращать на выполнение в полном объеме мероприятий по защите от коррозии. Также должны передаваться паспорта на металлоконструкции, акты на скрытые работы и другая документация. В случае отсутствия паспортов металлоконструкции в эксплуатацию принимать не следует. Вновь устанавливаемые конструкции должны иметь защитное покрытие, обеспечивающее защиту конструкции от коррозии в течении 30 лет, не иметь дефектов и повреждений элементов.

Рисунок 2.7 — Измерение прибором UK1401

Конструкции, отнесенные по результатам визуального осмотра, измерения коррозионного износа элементов, оценки других повреждений, данных диагностики к дефектным и остродефектным, должны заменяться или ремонтироваться. Ремонт или усиление металлических конструкций разрешается производить при местных повреждениях элементов конструкции: погнутостях, локальных коррозии, разрывов швов, болтов, заклепок. При значительных повреждениях и невозможности замены усиление и ремонт конструкции должны производиться на освоении данных обследований, испытаний и расчетов.

2.4 Измерение сопротивления опор Как известно, сопротивление железобетонной опоры складывается из двух составляющих — сопротивления верхнего пояса (поддерживающие конструкции — арматура) и сопротивления арматура-земля. Практика обследований и расчеты фактически для любых грунтовых условий не превышает 60 Ом, а в подавляющем большинстве случаев находится в пределах 10−30 Ом.

Сопротивление верхнего пояса зависит от того, как реализуется электрический контакт между болтом закладной детали (хомутом) и арматурой. Электрический ток может протекать через рассматриваемый узел в двух случаях:

— непосредственная (металлическая) связь между болтом и арматурой,

— электрический контакт осуществляется через слой бетон и изолирующую втулку.

Для опор с хомутовым креплением конструкции ток протекает в двух случаях:

— непосредственное касание хомута с арматурой,

— контакт через слой бетона.

Наиболее частая причина возникновение металлического касания болта закладной конструкции с арматурой возникает в случаях, когда при изготовлении опоры допущен выход даже небольшого участка арматурной проволоки в отверстие под закладную деталь. Резиновая втулка со временем продавливается или перетирается. Металлическое касание хомута — редкий случай. Так или иначе при металлическом касании сопротивление в цепи тока утечки полностью определяется сопротивлением арматура-грунт Сопротивление заземления опор измеряется по цепи: заземляемые металлические детали — заземляющий проводник — рельс — грунт — защитный слой фундаментной части — арматура — защитный слой надземной части — заземляемые детали.

Измерение сопротивления проводится в сухую погоду:

— после установки опоры и монтажа на них всех поддерживающих устройств до перевода или монтажа контактной подвески (сопротивление должно быть не менее 1,5 кОм — на участках переменного тока); запрещается вводить в эксплуатацию новые опоры, имеющие сопротивления менее указанных;

— не позднее одного года после ввода в эксплуатацию;

— на участках переменного тока — по необходимости, и выборочно в местах с агрессивными грунтами по отношению к бетону — 1 раз в 9 лет.

Измерение следует проводить в следующем порядке:

— проверить внешним осмотром целостность, исправность и надежность присоединения к тяговому рельсу заземления опоры, определить место присоединения шунта;

— если заземление опоры совмещено с рабочим заземлением КТП и т. п., работы по измерению сопротивления такой опоры ведется со снятием напряжения с заземляемого оборудования;

— до установки переносного шунта можно замерить ток утечки с помощью токовых клещей;