Politechnika Wrocławska Instytut Inżynierii Lądowej Zakład Infrastruktury Transportu Szynowego METODY KOMPUTEROWE W DROGACH KOLEJOWYCH Ćwiczenia laboratoryjne dla studentów specjalności ITS INSTRUKCJA do ćwiczenia UNIP System ekspercki ustalania nacisków i prędkości WROCŁAW 2008
1. Informacje ogólne System UNIP jest systemem eksperckim wspomagającym decyzje dotyczące ustalania dopuszczalnych nacisków i prędkości pociągów na liniach kolejowych. Decyzje te są podejmowane na podstawie: - warunków eksploatacyjnych linii, - cech konstrukcyjnych nawierzchni, - stanu utrzymania nawierzchni. System UNIP jest połączeniem metod algorytmicznych z bazami wiedzy. Użytkownik systemu wprowadza dane w odpowiednie okna programu, co powinno być poprzedzone dobrym rozpoznaniem analizowanego odcinka toru metodami stosowanymi w praktyce utrzymania nawierzchni. Osoby dysponujące danymi, których uzyskanie wymaga zastosowania sprzętu laboratoryjnego lub aparatury badawczej mogą wykorzystać te dane, wybierając odpowiednie opcje. Program UNIP nie służy do określania dopuszczalnych prędkości pociągów ze względu na wartości promienia łuku, przechyłki i krzywej przejściowej, do diagnozowania toru bezstykowego, ani do diagnozowania podtorza. Ocenie przy użyciu systemu UNIP można poddać dowolny odcinek toru, przestrzegając zasadę, że o stanie tego odcinka decydują miejsca najgorsze, stanowiące jednak nie mniej niż 5 % jego długości. W przypadku krótszych miejscowych nieprawidłowości w torze, należy je usuwać, by uniknąć w ten sposób ograniczeń prędkości pociągów. Zadaniem studenta w ramach ćwiczenia jest dokonanie przy pomocy programu UNIP oceny ewentualnej konieczności zmiany nacisków i prędkości dla danych określonych w protokole przeglądu badawczego, który należy pobrać od prowadzącego na początku zajęć. Protokoły zwierają dane częściowo fikcyjne - dostosowane do celów dydaktycznych. Wyniki oceny wraz z danymi należy zapisać w postaci plików na twardym dysku, które po wyjściu z programu UNIP należy przegrać na dyskietkę i oddać prowadzącemu zajęcia przed ich zakończeniem. 2. Praca z programem W celu uruchomienia programu, z pulpitu środowiska Windows otwieramy folder "Koleje", a następnie wybieramy ikonę programu "UNIP". Po uruchomieniu programu na ekranie ukazuje się okno zawierające jego stronę tytułową. Po wybraniu przycisku "OK" program otwiera ekran z menu górnym zawierającym następujące komendy: - "Plik" - umożliwiająca otwarcie albo zapisanie na dysku pliku danych, drukowanie oraz zakończenie pracy z programem, - 6 komend otwierających okna kolejnych bloków wprowadzanych danych: "Charakterystyka", "Szyny", "Podkłady", "Podsypka", "Grunt", "Nierówności toru", - "Decyzje" - umożliwiająca prezentację wyników oceny, - "Okno" - umożliwiająca zmianę sposobu wyświetlania okien. 2.1 Wprowadzanie danych Na podstawie danych z protokołu przeglądu badawczego przeprowadźmy procedurę wprowadzania danych do sześciu kolejnych bloków, począwszy od komendy "Charakterystyka". Wprowadzanie danych do programu dokonujemy na dwa sposoby: - poprzez kliknięcie myszką w odpowiednim oknie (tak aby umieścić nim kursor w postaci migającej pionowej kreski), a następnie wpisanie z klawiatury liczby albo tekstu zakończonego naciśnięciem klawisza "Enter" albo "Tab", 2
- poprzez rozwinięcie listy przyciskiem i wybór jednej z proponowanych przez program możliwości. Pierwszy z wymienionych sposobów w połączeniu z wykorzystaniem klawiszy " ", " " oraz "Delete" umożliwia edycję już wprowadzonych danych. Przy wprowadzaniu danych do bloku "Charakterystyka", po wypełnieniu rubryki "Nr linii" program automatycznie wprowadza dane do rubryki "Nazwa linii" - zgodnie z instrukcją D29. W momencie określania klasy toru, dla ułatwienia dokonania właściwego wyboru w środkowej części ekranu ukazuje się pomocnicza tabela przedstawiająca warunki klasyfikacji torów kolejowych. W przypadku, gdy warunki eksploatacyjne umożliwiają zaliczenie analizowanego toru do dwóch różnych klas, należy wprowadzić klasę niższą. Przy wypełnianiu rubryk dotyczących maksymalnych prędkości i nacisków osi należy podawać maksymalne wartości obu tych wielkości, ale w powiązaniu ze sobą - to znaczy jako przypisane do konkretnego pojazdu. Przykładowo jeśli po analizowanym odcinku toru odbywa się zarówno szybki ruch pasażerski jak i ciężki ruch towarowy, to gdy jako prędkość maksymalną podamy prędkość lokomotywy EP09 (160 km/h), jako maksymalny nacisk osi należy podać również nacisk dla tej lokomotywy (205 kn), a nie np. większy pod względem wartości nacisk węglarek 415W (225 kn), dla których prędkość maksymalna jest niższa (100 km/h). Z tego względu w naszym ćwiczeniu analizę należy przeprowadzić w dwóch częściach: osobno dla ruchu pasażerskiego, a osobno dla towarowego. W pierwszej części analizy w bloku "Charakterystyka" podajmy parametry odpowiednie dla ruchu pasażerskiego. Dla ułatwienia w momencie wprowadzania danych dotyczących pojazdu szynowego, w środkowej części ekranu dostępna staje się pomocnicza baza danych zawierająca podstawowe parametry, takie jak: - nacisk osi, - rozstaw i liczba osi, - prędkość maksymalna, dla sześciu rodzajów pojazdów szynowych: - ważniejsze elektryczne pojazdy trakcyjne, - ważniejsze spalinowe pojazdy trakcyjne, - ważniejsze wagony osobowe, - ważniejsze węglarki, - ważniejsze platformy, wagony kryte i specjalne, - ważniejsze cysterny i wagony samowyładowcze. Niestety pomocnicza baza danych jest jedynie formą podpowiedzi, tzn. podświetlenie w niej interesującej nas wartości parametru nie spowoduje automatycznego przeniesienia jej do okna wprowadzanej danej, wartość tę należy wpisać z klawiatury. W przypadku wózków trzyosiowych podaje się rozstaw miedzy osiami sąsiednimi (dla dwu różnych wartości - wartość mniejszą). W przypadku wagonów ostojnicowych (z pojedynczymi osiami zamiast wózków) podaje się dwie osie i rozstaw między nimi. W przypadku lokomotywy SM31 w pomocniczej bazie danych jest błąd! - w wózku posiada ona 3 osie. Przy określaniu prędkości maksymalnej należy ponadto skonfrontować określoną w protokole przeglądu badawczego maksymalną prędkość dopuszczalną na długości analizowanego odcinka z maksymalną prędkością z jaką może się poruszać określony w protokole przeglądu badawczego pojazd szynowy (lokomotywa - w pierwszej albo węglarka - w drugiej części analizy) i ostatecznie wprowadzić do programu zawsze mniejszą z tych prędkości. 3
W przypadku analizowania toru w łuku, po wprowadzeniu wartości jego promienia i przechyłki, program kolorem czerwonym podaje wartość obliczonego przyspieszenia odśrodkowego. Przy wprowadzaniu danych do bloku "Szyny", przy określaniu rodzaju stali oraz spoin program przedstawia podpowiedzi ułatwiające dokonanie właściwego wyboru. Co do gatunku stali St 90 PA, to wartość Rm=880 MPa odpowiada stali niehartowanej, natomiast Rm=1100 MPa odpowiada stali hartowanej. Przy wypełnianiu rubryki dotyczącej martwych styków program objaśnia znaczenie tego pojęcia. Przy określaniu wartości zużycia pionowego i bocznego szyn w dolnej części ekranu wyświetlone zostają pomocnicze tabele przedstawiające wartości graniczne tego zużycia. Kąt nachylenia powierzchni bocznej główki szyny program wylicza sam na podstawie wprowadzonych wartości zużycia pionowego i bocznego szyn. Przy wprowadzaniu danych do bloku "Podkłady" w środkowej części ekranu program przedstawia podpowiedzi ułatwiające dokonanie właściwego wyboru w rubryce "Uszkodzenia". Przy wprowadzaniu danych do bloku "Podsypka" w środkowej części ekranu program przedstawia podpowiedzi ułatwiające dokonanie właściwego wyboru w rubryce "Stan podsypki". Przy wprowadzaniu danych do bloku "Grunt", program przedstawia dwie możliwości przeprowadzenia tej procedury. Pierwsza z nich "Wprowadzenie bezpośrednie wyników pomiarów" odbywa się w oparciu o wyniki badań laboratoryjnych, druga natomiast "Wizualne rozpoznanie rodzaju i stanu gruntu" - w oparciu o analizę makroskopową. W naszym ćwiczeniu korzystamy wyłącznie z drugiej możliwości!!! Przy wprowadzaniu danych do bloku "Nierówności toru" w środkowej części ekranu program przedstawia pomocnicze tabele przedstawiające wartości odchyłek dopuszczalnych. Poszczególne grupy danych można wprowadzać w dowolnej kolejności. Istnieje również możliwość dokonywania w nich zmian na każdym etapie działania programu. 2.2 Uzyskanie wyników oceny W przypadku gdy wypełnione są już wszystkie bloki danych wybieramy z menu górnego komendę "Decyzje". Ekran monitora przechodzi do wyglądu przedstawionego na rys.1. W lewej i górnej części ekranu prezentowanych jest sześć okien zawierających wprowadzone sześć bloków danych dotyczących ocenianego odcinka linii kolejowej. W środkowej części ekranu prezentowane jest najważniejsze okno "Decyzje" zawierające w górnej części konkluzje dokonywanej oceny. Konkluzje mogą być dwie: - pozytywna (wyświetlana kolorem zielony): Można eksploatować tor przy założonej prędkości i nacisku osi, - negatywna (wyświetlana kolorem czerwonym): Nie można eksploatować toru przy założonej prędkości i nacisku osi. W przypadku konkluzji negatywnej podawane są (również kolorem czerwonym) jej przyczyny (ich znajomość pozwala przewidzieć skutki nie zastosowania się do konkluzji). Niezależnie od wyniku konkluzji, w dolnej części okna "Decyzje" podawane są maksymalne prędkości z uwagi na: nierówności toru, stan podkładów i podsypki, układ geometryczny toru i zużycie szyn. Prędkości powodujące negatywny wynik konkluzji wyróżnione są kolorem czerwonym. 4
Rys.1 Wygląd ekranu systemu UNIP - konkluzja negatywna W środku dołu ekranu prezentowane jest okno "Wykres naprężeń przy...", w którym w formie wykresów słupkowych, w odniesieniu do przedstawionych kolorem czerwonym naprężeń dopuszczalnych, kolorem zielonym przedstawione są obliczone przez program maksymalne prawdopodobne naprężenia: w stopkach szyn, w podkładach drewnianych, pod podkładkami żebrowymi, w podsypce pod podkładem i na powierzchni torowiska. Omawiane okno obrazuje relatywne wykorzystanie zapasu naprężeń w poszczególnych elementach składowych konstrukcji ocenianego toru. W prawym dolnym rogu ekranu, w oknie "Parametry dopuszczalne ze względu na nośność", prezentowana jest tablica dopuszczalnych prędkości i nacisków osi, przy których nie dojdzie do przekroczenia nośności nawierzchni i torowiska (zielone paski po obu stronach tabeli). W przypadku uzyskania wyników oceny jak na rys.1 zasady wnioskowania są następujące: - analizowanego odcinka torów nie można eksploatować przy założonej prędkości i nacisku osi z powodu przekroczenia nośności podtorza oraz złego stanu podkładów, - maksymalna prędkość przy jakiej można obecnie eksploatować tor wynosi 70 km/h, możliwe jest natomiast zwiększenie przy takiej prędkości nacisku osi do 220 kn, - gdyby chciano eksploatować analizowany tor z założonym naciskiem osi 205 kn, oprócz poprawienia stanu podkładów należałoby ograniczyć prędkość do 100 km/h, - gdyby chciano eksploatować analizowany tor z założoną prędkością 120 km/h, oprócz poprawienia stanu podkładów należałoby ograniczyć nacisk osi do 190 kn, - maksymalny nacisk osi z jakim możliwa jest eksploatacja analizowanego odcinka wynosi 225 kn, ale przy ograniczeniu prędkości do 30 km/h. 5
Rys.2 Wygląd ekranu systemu UNIP - konkluzja pozytywna Na rys.2 przedstawiono wygląd ekranu w przypadku uzyskania konkluzji pozytywnej. Tym razem zasady wnioskowania są następujące: - analizowany odcinek torów można eksploatować przy założonej prędkości i nacisku osi, - istnieje możliwość zwiększenia prędkości do 120 km/h, przy jednoczesnym zwiększeniu nacisku osi do 250 kn. 2.3 Zapisanie wprowadzonych danych i wyników oceny Przed zakończeniem pierwszej części analizy (dotyczącej ruchu pasażerskiego) zapiszmy na twardym dysku wprowadzone dane i wyniki oceny. W tym celu wybieramy z menu górnego komendy: "Plik" / "Zapisz", w oknie "Katalog" klikamy dwukrotnie podkatalog "Dane", a następnie w rubryce "Nazwa pliku" wpisujemy nasz INP z dopiskiem "pas", po czym naciskamy przycisk "OK". 2.4 Zmiana założeń W celu przeprowadzenia drugiej części analizy (dotyczącej ruchu towarowego) wybieramy z menu górnego komendę "Charakterystyka" i dokonujemy zmian niektórych danych wprowadzając parametry odpowiednie dla ruchu towarowego. Po ich wprowadzeniu ponownie wybieramy z menu górnego komendę "Decyzje" i zapoznajemy się z wynikami oceny. Podobnie jak poprzednio dokonujemy zapisu danych i wyników oceny na twardym dysku w postaci pliku - tym razem z dopiskiem "tow". 6
2.5 Wyjście z programu W celu opuszczenia systemu UNIP wybieramy z menu górnego komendy "Plik" / "Koniec". 3. Zakończenie ćwiczenia Po opuszczeniu systemu UNIP należy odszukać na twardym dysku (C:\Labkol\Unip\Dane) pliki utworzone przez nas podczas realizacji ćwiczenia ("INPpas.unp" i "INPtow.unp"), przegrać je na dyskietkę i wraz z protokołem przeglądu badawczego oddać prowadzącemu zajęcia. Niniejszą instrukcję opracowano w oparciu o: "Instrukcja obsługi systemu eksperckiego UNIP" Dyrekcja Generalna PKP, Naczelny Zarząd Utrzymania Kolei, Warszawa 1992 oraz "Systemy wspomagające ocenianie stanu toru", Bałuch H., Bałuch M., Centrum Naukowo-Techniczne Kolejnictwa, Warszawa luty 2004. 7