Politechnika Wrocławska Instytut Inżynierii Lądowej Zakład Infrastruktury Transportu Szynowego METODY KOMPUTEROWE W DROGACH KOLEJOWYCH

Transkrypt

1 Politechnika Wrocławska Instytut Inżynierii Lądowej Zakład Infrastruktury Transportu Szynowego METODY KOMPUTEROWE W DROGACH KOLEJOWYCH Ćwiczenia laboratoryjne dla studentów specjalności ITS INSTRUKCJA do ćwiczenia SOKON System ekspercki oceny stanu konstrukcji nawierzchni WROCŁAW 2008

2 1. Informacje ogólne Program służy do obliczania charakterystyk syntetycznej oceny zdatności eksploatacyjnej stosowanych w Polsce konstrukcji nawierzchni kolejowej typu UIC 60 i S49, wyjątkowo zaś może być zastosowany do oceny innych typów nawierzchni. Charakterystykami tej oceny są: - wskaźnik zdatności eksploatacyjnej C 1, wyrażający część trwałości charakteryzującej dany odcinek, jaka pozostała do jej całkowitego wykorzystania, tj. do utraty pełnej zdatności eksploatacyjnej, - czas t, wyrażony w latach, po którym przy istniejącym natężeniu przewozów, nastąpi wyczerpanie pełnej zdatności eksploatacyjnej konstrukcji nawierzchni (tzn. kiedy najpóźniej powinna nastąpić jej wymiana). W odniesieniu do nawierzchni na podkładach betonowych przyjęto, że trwałość szyn i podkładów jest jednakowa i określana całkowitym obciążeniem wyrażonym w Tg. W tych klasach konstrukcji, w których występują podkłady drewniane oblicza się oddzielnie trwałość szyn i oddzielnie trwałość podkładów wyrażaną w latach. 2. Praca z programem W celu uruchomienia programu, z pulpitu środowiska Windows otwieramy folder "Koleje", a następnie wybieramy ikonę programu "SOKON". Po uruchomieniu programu na ekranie ukazuje się okno zawierające jego stronę tytułową. Po wybraniu przycisku "OK" program przechodzi do wyglądu ekranu umożliwiającego wprowadzenie danych dotyczących ocenianego odcinka linii kolejowej przedstawionego na rys.1 (na razie z pustymi rubrykami wprowadzanych danych). Ekran ten można wywoływać w dowolnym momencie pracy programu wybierając z menu górnego komendę "Wprowadź". W menu górnym znajdują się ponadto komendy: - "Plik" - umożliwiająca otwarcie i zapisanie na dysku albo utworzenie nowego pliku danych oraz zakończenie pracy z programem, - "Klasa konstrukcji" - umożliwiająca wyświetlanie lub zmianę (tylko dla uprawnionych użytkowników) wyodrębnionych w programie jedenastu klas konstrukcji nawierzchni, - "Wyniki" - umożliwiająca obliczenie syntetycznych miar zdatność eksploatacyjnej ocenianej konstrukcji nawierzchni: wskaźnika C oraz czasu t, - "Pomoc" - wyświetlająca krótki opis programu i jego elementów składowych, - "Okno" - umożliwiająca przełączanie otwartych okien (ekranów). 2.1 Wprowadzanie danych W naszym ćwiczeniu niezbędne dane do przeprowadzenia oceny należy odczytać z formularza otrzymanego od prowadzącego na początku zajęć. Przykładowy formularz zamieszczono w końcu niniejszej instrukcji. Niektóre rzeczywiste dane w formularzach zostały zmodyfikowane w celach dydaktycznych. Przed przystąpieniem do wprowadzenia danych określmy, do której z jedenastu klas konstrukcji należy przyporządkować oceniany przez nas odcinek linii kolejowej. W tym celu wybieramy z menu górnego "Klasa konstrukcji" / "Wyświetlanie". Program wyróżnia 11 klas konstrukcji nawierzchni (ostatnia kolumna tabeli 1 zamieszonej w zakończeniu niniejszej instrukcji) w zależności od typu szyn, rodzaju toru (klasyczny, bezstykowy) i rodzaju podkładów. Do każdej klasy przypisano trwałość nominalną Tn wyrażoną w Tg w odniesieniu do szyn i podkładów betonowych oraz w latach w przypadku podkładów drewnianych. Założono, że trwałość nominalna zostanie osiągnięta przy nominalnych wartościach parametrów eksploatacyjnych przyporządkowanych każdej klasie. Parametrami tymi są: 2

3 - prędkość pociągów Vn [km/h], - maksymalny nacisk osi Pn [kn], - jakość elementów nawierzchni oraz jakość jej budowy i utrzymania, które to cechy charakteryzuje łącznie syntetyczny wskaźnik Jn [mm], - stosunek liczby pociągów towarowych do wszystkich pociągów rn. Opcja zmian wartości nominalnych jest zastrzeżona hasłem i wprowadzona w tym celu, aby w przypadku ewentualnej potrzeby wprowadzania pewnych korekt, jakie mogą się pojawić po dłuższym stosowaniu programu nie trzeba było wprowadzać do niego poprawek. Określając odpowiednią klasę konstrukcji dla ocenianego przez nas odcinka linii kolejowej należy zwracać uwagę tylko na jej cechy konstrukcyjne, tj. zawarte w dwóch pierwszych kolumnach tablicy (Szyny i Podkłady), pomijając całkowicie nominalne wartości eksploatacyjne. W przypadku, gdy nawierzchnia nie odpowiada żadnej klasie podanej w tablicy, należy wstępnie przyjąć klasę najbardziej zbliżoną do ocenianej konstrukcji. Numer określonej przez nas klasy konstrukcji należy wpisać w odpowiednią rubrykę w punkcie 2 formularza. Rys.1 Ekran z danymi ocenianego odcinka Wybierając z menu górnego "Wprowadź" powracamy do ekranu danych (rys.1) i wypełniamy odpowiednimi informacjami odczytanymi z formularza do ćwiczenia następujące okna: a) "Charakterystyka odcinka" Do poszczególnych rubryk należy wprowadzić: nazwę i numer linii kolejowej, nazwę szlaku lub stacji, nr toru, kilometr początku i końca ocenianego odcinka (uwaga: jako separatora dziesiętnego należy używać kropki, a nie przecinka!), określony wcześniej numer klasy konstrukcji. W polu "Kod" należy podać swój "INP". 3

4 b) "Dane rzeczywiste" Do poszczególnych rubryk należy wprowadzić obciążenie całkowite Qp, tj. przeniesione od początku ułożenia nawierzchni wyrażone w Tg, rok jej ułożenia wyliczony na podstawie podanego w formularzu wieku (osobno szyny i podkłady) oraz natężenie przewozów q w Tg / rok (aktualne lub spodziewane w najbliższych latach). Wprowadzana prędkość powinna być wartością średnią, ale nie z prędkości wszystkich pociągów kursujących na danym odcinku lecz tylko z 10 % najszybszych z nich (tzw. dziesiąty górny kwantyl). Przykładowo, jeśli na ocenianym odcinku kursują 64 pociągi na dobę i prędkości maksymalne 10 % (czyli w zaokrągleniu sześciu) najszybszych spośród tych pociągów wynoszą: 160, 160, 140, 140, 100 i 80 km/h, jako prędkość Vr należy wprowadzić: ( ) / 6 = 130 km / h. W przypadku oceny zdatności eksploatacyjnej konstrukcji torów głównych dodatkowych i bocznych na stacjach wprowadza się prędkość 40 km/h. Jako nacisk osi podaje się maksymalny nacisk osi pojazdu szynowego kursującego po ocenianym torze. Wprowadzaną wartością wskaźnika syntetycznego Jr jest wartość średnia wskaźników J ze wszystkich kilometrów ocenianego odcinka (lub krótszych odcinków jednostkowych, na których oblicza się J). Wskaźnik pociągów towarowych jest ilorazem liczby pociągów towarowych kursujących na ocenianym odcinku do liczby wszystkich pociągów. Promienie łuków wprowadza się tylko wówczas, gdy długość odcinka obejmuje sam łuk i przylegające do niego krzywe przejściowe. W przypadku, gdy całkowita długość łuków na analizowanym odcinku nie przekracza 20 % jego długości a ich promienie nie są mniejsze niż 1000 m, odcinek ten można potraktować jako prostą (wynikający stąd błąd obliczeń nie przekroczy 2 %). c) "Klasa konstrukcji" W polu "Nr klasy konstrukcji" rozwijamy listę i wybieramy określoną wcześniej klasę konstrukcji nawierzchni, w pozostałych polach okna dane zostaną zaktualizowane automatycznie. 2.2 Zapisywanie danych Po zakończeniu wprowadzania danych i upewnieniu się, że nie ma w nich błędów wybieramy przycisk "Zapisz". Wprowadzone dane zostają zapisane do tzw. rekordu. Operowanie rekordami w systemie SOKON jest bardzo wygodne, umożliwia dokonywanie różnych wariantów oceny tego samego odcinka linii kolejowej. Aby zabezpieczyć się przed utratą wprowadzonych danych zapiszmy je na twardym dysku. W tym celu wybieramy z menu górnego "Plik" / "Zachowaj jako", a następnie w odpowiednich oknach określamy miejsce zapisu na twardym dysku (C:\Labkol\Sokon\Dane) oraz nazwę pliku (INP.skn). Wszystkie wprowadzone do programu rekordy danych zostają zapisane do tego pliku. Program w dolnej części ekranu (rys.1) informuje nas o nazwie i ścieżce dostępu do pliku danych, jaka jest liczba rekordów i który z nich jest aktualnie pokazywany. Poniżej znajduje się belka wyboru rekordu oraz trzy przyciski umożliwiające powrót do trybu edycji danych oraz dodanie nowego albo usunięcie istniejącego rekordu. 4

5 2.3 Wyniki oceny W celu uzyskania wyników oceny wybieramy z menu górnego "Wyniki". Program przechodzi do wyglądu pokazanego na rys.2. Rys.2 Ekran z wynikami przeprowadzonej przez program oceny Wynikami wyrażającymi syntetycznie zdatność eksploatacyjną konstrukcji nawierzchni kolejowej są: - wskaźnik zdatności C, - czas pozostały do utraty zdatności t. W ostatnim dolnym oknie ekranu podawany jest krótki komentarz słowny podsumowujący wyniki przeprowadzonej oceny Wprowadzone charakterystyki rzeczywiste (rzadko kiedy pokrywające się z wartościami nominalnymi w wybranej klasie konstrukcji) powodują zmianę trwałości nominalnej - w wyniku obliczeń otrzymuje się mianowicie trwałość skorygowaną, tj. dostosowaną nie tylko do cech konstrukcyjnych, lecz również do warunków rzeczywistych charakteryzujących dany odcinek toru. Trwałość skorygowana będąca wynikiem uwzględnienia rzeczywistych warunków eksploatacyjnych w porównaniu z warunkami przypisanymi do danej klasy konstrukcji może być mniejsza niż całkowite przeniesione obciążenie. Wówczas obliczony na tej podstawie wskaźnik zdatności C oraz czas t wyrażą się liczbami ujemnymi i tak np. t = - 2,4 lata należy interpretować jako czas, który upłynął od chwili, gdy oceniana konstrukcja powinna zostać wymieniona lub czas, w którym należało zmienić pewne parametry eksploatacyjne (zmniejszyć prędkość, nacisk osi) albo poprawić stan geometryczny toru. Z odpowiednich rubryk odczytujemy i wpisujemy na formularz ćwiczenia (do pierwszej kolumny tabeli wyników z pogrubionymi ramkami) wartości: 5

6 - trwałości nominalnej Tn, - trwałości skorygowanych Trs i Trp, - wskaźników zdatności eksploatacyjnej Cs i Cp, - czasów pozostałych do utraty zdatności ts i tp. 2.4 Operacje na rekordach W celach porównawczych sprawdźmy jakie uzyskalibyśmy wyniki w przypadku przyjęcia innych niż określona wcześniej klasa konstrukcji. Wybierając z menu górnego "Wprowadź" powróćmy do ekranu danych, wybierzmy przycisk "Dodaj rekord" i dla tych samych danych z okien "Charakterystyka odcinka" i "Dane rzeczywiste" przyjmijmy najwyższą klasę konstrukcji (nr 1). Potwierdźmy zmianę wybierając przycisk "Zapisz", program utworzy drugi rekord danych. Wybierając z menu górnego "Wyniki" odczytajmy nowe wartości i wpiszmy w odpowiednie rubryki tabeli wyników na formularzu ćwiczenia. W analogiczny sposób utwórzmy trzeci rekord danych - tym razem dla najniższej klasy konstrukcji (nr 11). Odczytane wartości wpiszmy w odpowiednie rubryki tabeli wyników na formularzu ćwiczenia. Jako czwarty rekord danych przyjmijmy określoną za pierwszym razem klasę konstrukcji, lecz załóżmy, że wbudowane zostały nie szyny nowe lecz staroużyteczne, co wymaga zmniejszenia o połowę wartości trwałości nominalnych. W tym celu w dolnej części okna "Dane rzeczywiste" wybieramy przycisk "Dane nominalne pojedyncze", w wyniku czego okno "Klasa konstrukcji" zostaje zastąpione oknem "Dane nominalne pojedyncze", w którym korzystając z przycisku "Kopiuj dane z klasy" wprowadzamy określoną za pierwszym razem klasę konstrukcji, a następnie zmniejszamy o połowę wartości trwałości nominalnych Tn i ln. Ponieważ program przyjmuje tylko całkowite wartości ln, w przypadku gdy wielkość ta jest liczbą nieparzystą, połowę wieku zaokrąglamy w dół do liczby całkowitej (np. dla ln = 25 lat połowa trwałości wyniesie 12 lat). Po przejściu do ekranu "Wyniki" odczytujemy odpowiednie wartości i wpisujemy do tabeli wyników na formularzu ćwiczenia. Z okna "Dane nominalne pojedyncze" korzystamy również wówczas, gdy oceniana przez nas nawierzchnia nie odpowiada żadnej z jedenastu określonych w systemie SOKON klas konstrukcji. Korzystając z przycisku "Kopiuj dane z klasy" wybieramy klasę konstrukcji najbardziej zbliżoną, a następnie zmieniamy zawartość pól charakteryzujących typ szyn i podkładów oraz wartości nominalne parametrów eksploatacyjnych. W tabeli 1 zamieszczonej na następnej stronie zestawiono wartości tych parametrów dla wszystkich możliwych szesnastu kombinacji różnych typów szyn i podkładów (również tych nie reprezentowanych przez wyróżnione w SOKONIE klasy konstrukcji). W celu zapamiętania operacji dokonanych na rekordach w pliku na twardym dysku dokonajmy ponownego jego zapisu (wybierając z menu górnego "Plik" / "Zachowaj jako") pod tą samą nazwą (poprzednia wersja zostanie nadpisana bez zadawania przez program dodatkowych pytań). 2.5 Wyjście z programu W celu opuszczenia systemu SOKON wybieramy z menu górnego komendę "Plik" / "Koniec". 3. Zakończenie ćwiczenia 6

7 Po opuszczeniu systemu SOKON należy odszukać na twardym dysku plik z wprowadzonymi danymi (C:\Labkol\Sokon\Dane\INP.skn), przegrać go na dyskietkę i wraz z wypełnionym formularzem do ćwiczenia oddać prowadzącemu zajęcia. Niniejszą instrukcję opracowano w oparciu o: "Systemy wspomagające ocenianie stanu toru", Bałuch H., Bałuch M., Centrum Naukowo-Techniczne Kolejnictwa, Warszawa luty Tabela 1 Dane nominalne Lp. Szyny Podkłady Prędk. Nacisk Wskaź. Trwałość Wskaź. Klasa Vn osi Pn Jn Tn tn rn konstr. km/h kn mm Tg lat UIC60 bezstyk. bet. ciężkie UIC60 bezstyk. bet. średnie UIC60 bezstyk. drew. twarde UIC60 bezstyk. drew. miękkie UIC60 klas. bet. ciężkie UIC60 klas. bet. średnie UIC60 klas. drew. twarde UIC60 klas. drew. miękkie S49 bezstyk. bet. ciężkie S49 bezstyk. bet. średnie S49 bezstyk. drew. twarde S49 bezstyk. drew. miękkie S49 klas. bet. ciężkie S49 klas. bet. średnie S49 klas. drew. twarde S49 klas. drew. miękkie

8 Formularz do ćwiczenia "Systemy eksperckie" - SOKON z przedmiotu "Metody Komputerowe w Drogach Kolejowych" Student...Jan Kowalski... (wypełnić puste pola w pogrubionych ramkach) 1. Dane do przeprowadzenia oceny zdatności eksploatacyjnej Linia: Wrocław - Zgorzelec nr: 274 Szlak: Wrocław Zach. - Smolec tor nr: 1 km od: 7.2 do: 7.9 Szyny: Podkłady: S49 bezstykowe betonowe średnie Przeniesione obciążenie Qp: 120 Tg Rok ułożenia szyn: 26 lat Rok ułożenia podkładów: 26 lat Natężenie przewozów q: 9.1 Tg / rok Prędkość Vr: 100 km / h Nacisk osi Pr: 215 kn Wskaźnik Jr: 3.9 mm Wskaźnik pociągów towarowych rr: 0.3 Promień łuku R 0 m 2. Wyniki oceny Określenie numeru klasy konstrukcji: 7 Tabela wyników: Przypadek: nr klasy konstr.: określony 1 11 określony szyny: nowe nowe nowe staroużyt. Nr rekordu: Trwałość nominalna Tn [Tg] ze wzgl. Trs Trwałość na szyny [Tg] skorygowana ze wzgl. Trp na podkł. [Tg] Wskaźnik ze wzgl. Cs zdatności na szyny eksploata- ze wzgl. Cp cyjnej na podkł. Czas pozostały ze wzgl. na szyny ts [lat] do utraty zdatności ze wzgl. na podkł. tp [lat]