sokon - Politechnika Wrocławska

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
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
- 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
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:
(2 ⋅ 160 + 2 ⋅ 140 + 100 + 80) / 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
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
-
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
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 2004.
Tabela 1
Lp.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Szyny
UIC60 bezstyk.
UIC60 bezstyk.
UIC60 bezstyk.
UIC60 bezstyk.
UIC60 klas.
UIC60 klas.
UIC60 klas.
UIC60 klas.
S49 bezstyk.
S49 bezstyk.
S49 bezstyk.
S49 bezstyk.
S49 klas.
S49 klas.
S49 klas.
S49 klas.
Podkłady
bet. ciężkie
bet. średnie
drew. twarde
drew. miękkie
bet. ciężkie
bet. średnie
drew. twarde
drew. miękkie
bet. ciężkie
bet. średnie
drew. twarde
drew. miękkie
bet. ciężkie
bet. średnie
drew. twarde
drew. miękkie
Dane nominalne
Prędk. Nacisk Wskaź
Trwałość
.
Vn
osi Pn
Jn
Tn
tn
km/h
kN
mm
Tg
lat
100
225
1.5
500
40
100
225
1.6
480
38
100
225
1.7
450
30
100
210
2
400
18
90
200
2.5
440
37
90
200
2.6
430
36
90
200
2.5
400
25
80
200
2.5
380
18
100
210
2.2
280
40
100
200
2.5
260
40
100
200
2.5
270
25
100
200
2.6
250
17
90
200
2.8
240
36
80
190
2.9
230
35
90
200
2.6
240
24
100
190
2.9
230
17
7
Wskaź.
Klasa
rn
0.3
0.3
0.3
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.3
0.3
0.3
0.4
0.4
0.4
0.3
0.4
konstr.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
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:
Szlak:
km od:
Wrocław - Zgorzelec
Wrocław Zach. - Smolec
7.2
Szyny:
Podkłady:
S49 bezstykowe
betonowe średnie
nr:
274
tor nr: 1
do:
7.9
Przeniesione obciążenie Qp:
120 Tg
Rok ułożenia szyn:
26 lat
Rok ułożenia podkładów:
26 lat
Natężenie przewozów q:
9.1 Tg / rok
100 km / h
Prędkość Vr:
Nacisk osi Pr:
215 kN
Wskaźnik Jr:
3.9 mm
Wskaźnik pociągów towarowych rr: 0.3
Promień łuku R
0m
2. Wyniki oceny
Określenie numeru klasy konstrukcji:
Tabela wyników:
Przypadek:
nr klasy konstr.:
szyny:
Nr rekordu:
Trwałość
Tn
nominalna
[Tg]
ze wzgl.
Trs
na szyny [Tg]
Trwałość
skorygowana ze wzgl.
Trp
na podkł. [Tg]
Wskaźnik
ze wzgl.
Cs
zdatności
na szyny
eksploataze wzgl.
Cp
cyjnej
na podkł.
Czas
ze wzgl.
ts
pozostały
na szyny
[lat]
do utraty
tp
ze wzgl.
zdatności
na podkł. [lat]
7
określony
nowe
1
260
1
nowe
2
500
11
nowe
3
230
określony
staroużyt.
4
130
220.7
452.4
186
110.3
220.7
452.4
186
110.3
0.46
0.73
0.35
-0.09
0.4
0.4
-0.41
-0.2
11.07
36.53
7.25
-1.07
16
16
-7
-4
8