ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №8
«МОДЕЛЬ ПРОТЯЖЕННОГО ОБЪЕКТА ДИАГНОСТИКИ»
ВРЕМЯ – 2 часа
ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Рассмотреть модель протяженного объекта на примере опоры контактной сети.
СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ:
ВВЕДЕНИЕ – 5 мин.
УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. ОПОРА КОНТАКТНОЙ СЕТИ КАК ПРОТЯЖЕННЫЙ ОБЪЕКТ ДИАГНОСТИКИ – 80 мин.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 5 мин.
ОПОРА КОНТАКТНОЙ СЕТИ КАК ПРОТЯЖЕННЫЙ ОБЪЕКТ ДИАГНОСТИКИ
Объекты диагностики условно можно разделить на сосредоточенные и протяженные в пространстве.
Рассмотрим модель протяженного объекта на примере опоры контактной сети. Нас будет интересовать состояние опоры как несущей конструкции. От чего зависит несущая способность опоры?
Несущая способность опоры определяется пространством состояний с большим числом координат.
Z = Ψ(…..),
где Z - выходные функция или отклики объекта диагностики; Ψ - система передаточных функций; аргументы, от которых зависят выходные функции нам предстоит выяснить
В этой связи необходимо выделить следующие 3 свойства опоры:
1. Опора имеет конечные отличные от нуля геометрические размеры и непостоянную по своей протяженности прочность.
2. Нагрузки на опору по ее протяженности неодинаковы.
3. Степень и скорость коррозии арматуры под действием токов и бетона по протяженности опоры различны.
На практике часто применяются косвенные методы диагностики состояния опор контактной сети. Так по сопротивлению арматуры опоры судят о степени ее коррозии.
При принятой конусности опоры нагрузка на уровне пяты консоли составляет 50% от момента, действующего на опору на уровне обреза фундамента. Для опоры с предварительно напряженной арматурой следует учитывать это напряжение. В зависимости от конструкции опоры не все стержни ее арматуры доходят до торца. Из-за конической формы опоры число стержней арматуры, приходящееся на единицу объема железобетона, будет выше в ее верхней части. Поэтому бетон в верхней части опоры более напряжен чем в нижней.
В общем случае неравномерность нагрузки по протяженности опоры складывается из 3-х составляющих.
Неравномерный момент по длине опоры. Эпюра моментов сил, действующих на опору, представлена на рисунке 1.
Как видно из рисунка, направление моментов меняется на некоторой глубине y0. Величина y0 зависит от заглубления опоры h и свойств грунта.
а) надземная часть опоры б) подземная часть опоры
Рисунок 1. Эпюры моментов сил, действующих на опору
При заглублении опоры на h = 3,5 м для некоторых грунтов y0 = 2,5 м. При этом максимальный изгибающий момент Mmax будет иметь место на глубине около yМmax ≈ 0,5 м. Величина yМmax зависит от характера и состояния грунта. Например, в скальном грунте или при его промерзании эта величина стремится к 0. Это свидетельствует также и о существенной зависимости эпюры моментов от температуры окружающей среды.
Неравномерная нагрузка кольцевого сечения опоры при изгибающих моментах в сторону пути. На рисунке 2представлены эпюры краевых напряжений консольной опоры.
Рисунок 2. Эпюры краевых напряжений консольной опоры.
По окружности опоры можно выделить две зоны – с растянутой арматурой и со сжатой. Основную нагрузку несет растянутая арматура, расположенная с полевой стороны опоры.
Неравномерность коррозии в поперечных сечениях опоры на разных по глубинах залегания. Коррозия арматуры опоры происходит также не равномерно по длине опоры. Наиболее сильной коррозии подвержена арматура подземной части опоры. На разной глубине интенсивность коррозии различна. Опыт эксплуатации опор показывает, что наиболее сильны коррозионные повреждения на глубине 0,2 … 0,6 м. Это обусловлено рядом причин.
С ростом глубины определенным образом изменяется увлажненность и проводимость грунта. Верхняя часть грунта до глубины 0,1 … 0,2 м представляет собой подсыпку щебня. В сухую погоду этот слой имеет сравнительно низкую проводимость и коррозия арматуры здесь мала.
Существенную роль играют так называемые уносы с подвижного состава – угольная и тормозная пыль, а также топочные уносы паровозов. В связи с тем, что раньше применялась паровозная тяга, залегающий сейчас на глубине 0,2 … 0,8 м слой грунта имеет характерный темный цвет. На этой глубине грунт, как правило, имеет наибольшую проводимость и здесь наблюдается повышенная коррозия арматуры. Подобный эффект повышенной коррозии вызывается также и солями удобрений, попадающих в грунт в том числе и при перевозке.
Изменение интенсивности коррозии по окружности опоры на уровне одного сечения незначительно.
По протяженности опоры существенно изменяется разность потенциалов грунта и арматуры. Рассмотрим горизонтальную плоскость, расположенную на некоторой глубине залегания. Возможны два крайних случая: а) опора изолирована от рельса, искровой промежуток исправен; б) опора подключена к рельсу, искровой промежуток пробит. Схематично оба случая представлены на рисунке 3.
а) опора изолирована от рельса, б) опора подключена к рельсу,
исправный искровой промежуток пробитый искровой промежуток
Рисунок 3. Схемы возможных случаев распределения потенциалов в горизонтальной плоскости
Искровой промежуток ИП-3 предназначен для защиты арматуры фундаментов опор контактной сети от протекания по ним блуждающих токов, а также для пропуска тока в рельсовую цепь при пробое изоляции контактной сети или ВЛ продольного электроснабжения, проходящей по опоре КС. Пробивное напряжение 0,8 … 1,2 кВ.
Экспериментальные и теоретические исследования показали. Что потенциал грунта убывает по экспоненте от заземленного электрода. При незаземленной опоре потенциал грунта со стороны пути будет выше, а со стороны поля ниже, чем потенциал арматуры. В результате такого распределения потенциалов произойдет втекание блуждающего тока в опору со стороны пути и его стекание со стороны поля.
Со стороны поля возникают наиболее благоприятные условия для электрокоррозии. Степень влияния блуждающих токов на коррозию определяется крутизной экспоненты потенциалов, которая в свою очередь зависит от свойств грунта. Поперечные размеры опоры при средней крутизне кривой потенциалов недостаточно велики для интенсивной коррозии, но пассивация арматуры будет нарушена. Известно, что однажды активированная арматура не перестает коррозировать никогда. Даже после прекращения стекания тока.
Если арматура опоры оказывается подсоединенной к рельсу, то возникает наиболее неблагоприятный случай. По принципу суперпозиций потенциалы между опорой и рельсом складываются. Это приводит к существенному изменению разности потенциалов между арматурой и почвой. Со стороны поля потенциал убывает быстрее. Следовательно, там возрастает величина стекающего тока, и интенсивность коррозии увеличивается.
Потенциал меняется и по глубине грунта. На рисунке 4. Представлена схема изменения потенциала по глубине.
Рисунок 4. Схема распределения потенциала по глубине
Убывание потенциала происходит также по экспоненте. Наиболее интенсивной коррозии подвержена арматура опоры у ее основания. Так, осмотр демонтированных опор, простоявших длительное время, показывает, что 5 … 10 см арматуры в торцевой части опоры полностью прокоррозировало. Коррозия на глубине 3 … 4 м не представляет большой опасности с точки зрения потери несущей способности опоры, но может неблагоприятно сказаться на ее устойчивости.
Прочность опоры неравномерна по ее длине. Так, в результате нарушений технологии изготовления толщина защитного слоя бетона у опор одного и того же типа неодинакова. Исследования показали, что при норме 20 мм толщина защитного слоя изменяется по закону нормального распределения с параметрами центра 21,7 мм и рассеянием 5,49 мм. Примерное распределение защитного слоя бетона у однотипных опор представлено на рисунке 5.
Свойства грунта, как в горизонтальной плоскости, так и по глубине залегания могут иметь большой разброс.
Результаты исследования прокорозировавших опор показывают, что коррозия происходит по протяженности подземной части опоры неравномерно. Поэтому и прочность такой опоры неравномерна.
Рисунок 5. Распределение толщин защитного слоя бетона у однотипных опор
Все рассмотренные выше факторы свидетельствуют о том, что опора должна рассматриваться как пространственная протяженная модель. Модель опоры как объекта диагностики будет иметь вид:
Z = Ψ(M, x, y, z, A, B, t),
где Z - выходные функция или отклики объекта диагностики; Ψ - система передаточных функций; M - моменты внешних сил; x, y, z – пространственные координаты; A и B – параметры арматуры и бетона, t - время.
Поскольку объект исследования пространственный, то средства диагностики его состояния должны иметь возможность не только определять степень коррозии арматуры, но также и место и размеры коррозионных повреждений. Опыт эксплуатации опор показывает, что наибольший интерес с точки зрения диагностики состояния железобетонных опор представляют исследования коррозии арматуры в подземной части опоры на глубине 0,3 …0,6 м с полевой стороны.
На практике применяются прямые и косвенные методы диагностики состояния опор контактной сети.
Прямое диагностирование состояния железобетонных опор контактной сети производится в соответствии с ГОСТ 19330-91 Стойки железобетонные для опор контактной сети железных дорог и НБ ЖТ ЦЭ 067-2003 Поддерживающие конструкции элементов контактной сети. Нормы безопасности. При помощи визуальной и инструментальной диагностики проверяются геометрические показатели, качество наружной поверхности, качество внутренней поверхности, прочность на изгиб, трещиностойкость, жесткость, электрическое сопротивление между арматурой и закладными деталями.
Для косвенной диагностики состояния опор и фундаментов контактной сети используют приборы контроля сопротивления и потенциала арматуры. По сопротивлению арматуры судят о степени ее коррозии. Для этого используются приборы ПК-1М.
Другим способом косвенной диагностики состояния опор является определение целостности бетона. Метод основан на измерениях скорости распространения ультразвука в приповерхностном слое бетона опоры в продольном и поперечном направлениях. Для этого используется ультразвуковой тестер УК1401М.
Использование приборов ПК-1М и УК1401М позволяет быстро и качественно провести комплексное обследование степени опасности электрокоррозии арматуры и состояние бетона опор и фундаментов.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Ефимов А.В., Галкин А.Г. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог. – М.: УМК МПС России, 2000 – 512 с.
2. ГОСТ 19330-91. Стойки железобетонные для опор контактной сети железных дорог.
3. Поддерживающие конструкции элементов контактной сети. Нормы безопасности. НБЖТ ЦЭ 067-2003.