Предупреждение и устранение неисправностей СЦБ - Отказы светофоров и способы их предупреждения

Рассматривая вопрос о светофорах с позиций надежности и необходимой профилактики, следует остановиться на таких узлах, как железобетонные мачты, фундаменты и светофорные лампы. Именно от таких узлов, как показывает практика, зависит надежность работы светофоров.
В последние годы в целях экономии металлов светофоры с металлическими мачтами на железобетонных фундаментах устанавливаются ограниченно. Наибольшее же распространение имеют железобетонные мачты в виде конических полых труб. Мачты изготавливают методом центрифугирования из бетона марки 300 или 400 с использованием стержневой ненапряженной арматуры гладкой или периодического профиля. Основная рабочая арматура расположена вдоль мачты и представляет собой восемь стержней, размещаемых равномерно по окружности.
Ввод и вывод кабелей, питающих светофор, осуществляются через отверстия в стенках мачт, с приваркой к продольной аппаратуре отрезков металлических труб диаметром 50 мм. Такое конструктивное решение, при котором может возникать электрическая связь между заземляемыми элементами оснастки и рабочей арматурой мачты, создает благоприятные условия для электрокоррозии.
Железобетонные или бетонные конструкции, имеющие те или иные повреждения, делятся на негодные, требующие замены, и дефектные, подлежащие ремонту или защите от коррозии. Подлежат замене: железобетонные мачты и бетонные фундаменты светофоров, имеющие продольные или поперечные трещины в подземной части (в порядке исключения на время, необходимое для проведения работ по замене конструкции, может быть проведено усиление поврежденных мачт светофоров благодаря установке железобетонных или металлических приставок); железобетонные опорные конструкции, у которых наблюдается разрушение бетона свыше 30 % поперечного сечения.
Классификация дефектов всех железобетонных конструкций устройств СЦБ (не только относящихся к светофорам), причины, их вызывающие, и меры, которые необходимо применять для обеспечения надежной работы, с присвоенными индексами приведены в табл. 12. При этом, принимая во внимание условия работы, а также особенности проектов и технологии изготовления, все железобетонные конструкции подразделены на железобетонные мачты светофоров, бетонные фундаменты металлических мачт светофоров, основания релейных шкафов, прочие конструкции.
Состояние конструкций следует оценивать 1 раз в 3 года по результатам осмотров надземной и подземных частей, а на участках с электротягой постоянного тока, кроме того, по значениям токов стекания с арматурного каркаса фундаментной части. При необходимости используют данные об агрессивности атмосферы и почвы.

Осмотр надземной части конструкции проводят по всей высоте с целью обнаружения трещин, определения их размеров и оценки опасности трещин для несущей способности конструкции, а также обнаружения других видимых дефектов (отколов и повреждений защитного слоя бетона, отслоений, раковин, ржавых пятен и т. д.).
Подземную часть мачт и фундаментов осматривают в процессе откапывания их до глубины 0,6—0,8 м поочередно с двух боковых сторон с уплотнением грунта при засыпке. При этом необходимо временно закреплять мачты светофоров оттяжками или другими приспособлениями на случай излома и падения разрушенного электрокоррозией светофора. На участках с электротягой постоянного тока откапывать нужно все мачты и фундаменты мачтовых светофоров, находящиеся в анодных и знакопеременных зонах и имеющие токи утечки выше допускаемых значений. В первую очередь откапывают конструкции, имеющие сопротивление цепи рельс — светофор менее 100 Ом и расположенные в анодных зонах с наибольшим потенциалом.
Конструкции, находящиеся в катодных зонах и на участках с электротягой переменного тока, а также на неэлектрифицированных линиях, откапывают выборочно для выяснения почвенной коррозии и арматуры в местах с агрессивными грунтами после 10 лет эксплуатации.
Железобетонные конструкции устройств СЦБ в процессе эксплуатации испытывают постоянные и переменные нагрузки, а также подвергаются воздействиям окружающей среды, что вызывает повреждения, снижающие долговечность конструкций.
Повреждения в железобетонных конструкциях в период эксплуатации возникают: вследствие недоучета отдельных факторов на стадии проектирования; в процессе изготовления (нарушение технологии изготовления и монтажа, заводской брак, несвоевременное принятие мер по защите от коррозии), под действием температуры и влаги окружающей среды (появление продольных и поперечных трещин), под действием агрессивной среды (изменение структуры и свойств бетона, приводящее к снижению его прочности и преждевременному разрушению).
Арматура железобетонных конструкций в агрессивных почвах и атмосфере может подвергаться почвенной и атмосферной коррозии. В агрессивной и влажной среде (при относительной влажности воздуха более 60 %) процесс коррозии арматуры конструкции ускоряется. Наиболее опасными являются повреждения арматуры или анкерных болтов в подземной части мачт и фундаментов светофоров вследствие электрической коррозии. Явление электрической коррозии, как правило, возникает на участках электрифицированных железных дорог постоянного тока в пределах анодных и знакопеременных зон потенциалов рельсовой сети и является следствием утечки тока с поверхности металла в бетон при плотности тока свыше 0,6 м А/мм2.
Все металлические мачты светофоров, а также металлическая оснастка железобетонных мачт должны иметь непосредственную связь с рельсом. При этом токи, стекающие с рельсов, попадают в арматуру железобетонной конструкции и далее с арматуры фундаментной части в грунт, поэтому арматура или анкерные болты становятся анодом и разрушаются в результате электролиза.
Токи утечки зависят от разности потенциалов рельс — земля в точке установки конструкции и сопротивления цепи заземления рельс — оснастка светофора — железобетонная конструкция — земля — рельс. Допустимый ток утечки в среднем не должен превышать 2,5 мА для бетонных фундаментов светофоров и 10 мА для железобетонных мачт светофоров и стоек релейных шкафов. Электрическая связь между заземляющими деталями и арматурой может образоваться в местах: касания различного рода хомутов с металлическими втулками, образующими отверстия в железобетонных мачтах; ввода и вывода кабелей светофора.
Сопротивления цепи заземления редко превышают 100 Ом и определяются главным образом сопротивлением фундаментной части конструкции. Сопротивление цепи рельс — светофор формируется главным образом за счет подземной части. Аналогичные явления наблюдаются и на светофорах с металлическими мачтами, у которых заземляющий проводник присоединен непосредственно к анкерным болтам.
Арматура железобетонных мачт и анкерные болты железобетонных фундаментов светофоров при глухом заземлении на рельсы постоянно имеют потенциал цепи рельс — земля и могут подвергаться коррозионному разрушению токами утечки, которые в ряде случаев превышают допустимое значение. Следствием этого явились повреждения значительного числа светофоров, а в отдельных случаях полное разрушение конструкций в подземной части.
Обследования железобетонных мачт и фундаментов светофоров, находящихся в эксплуатации, показали, что характерным признаком, определяющим электрокоррозию арматуры или анкерных болтов, являются продольные трещины в подземной части конструкции. По мере развития процессов электрокоррозии трещины вдоль арматурных стержней или вдоль анкерных болтов, как правило, выходят на поверхность конструкции. При этом в подземной части к этому времени коррозионные повреждения арматуры достигают размеров, при которых общая несущая способность конструкции становится меньше нормативной.
Наряду с повреждениями арматуры наблюдается разрушение и слоя бетона, примыкающего к арматуре или анкерным болтам. Такие повреждения бетона и арматуры приводят к внезапным разрушениям всей конструкции.
Имеют место случаи, когда железобетонная мачта светофора повреждается в подземной части продольными трещинами, образующимися в результате электрокоррозии продольной рабочей арматуры. Указанные трещины располагаются по всей окружности мачты вдоль стержней арматуры и выходят на поверхность на 15—20 см. Выход трещин на поверхность свидетельствует о значительных коррозионных повреждениях арматуры в подземной части. После откапывания мачты обнаруживается, что на глубине 0,5 м ширина трещин достигает 4—5 мм, а бетон легко откалывается. Светофор при этом эксплуатировался при глухом заземлении на рельс, и при проходе поездов токи утечки арматуры достигали 100 мА, т. е. превышали допустимые в 10 раз. Это явилось причиной преждевременного разрушения мачты светофора, так как несущая способность при таких повреждениях оказалась меньше нормативной.
Характерным видом повреждения железобетонных фундаментов под металлические мачты светофоров в процессе электрокоррозии анкерных болтов является случай распирающего действия продуктов коррозии и развитие продольной трещины вдоль анкерного болта. Часто распирающее действие продуктов коррозии приводит к образованию поперечных трещин в фундаменте на глубине 0,5—0,6 м, в месте загиба анкерных болтов. Этому способствует то обстоятельство, что часть фундамента мо,- жет находиться над землей в сухом состоянии, и поэтому в нижней части анкерных болтов увеличивается плотность стекающего тока.
Под воздействием механических нагрузок от головок светофора и в части изгибающего момента при наличии поперечных трещин в плоскости загиба анкерных болтов, как правило, происходит излом фундамента, о чем свидетельствуют случаи падения светофоров на отдельных дорогах. Таким образом, повреждения конструкций электрокоррозией являются наиболее опасными, так как развитие их начинается и протекает в подземной части, что затрудняет их обнаружение.
Наряду с электрокоррозионными повреждениями в ряде районов страны можно наблюдать разрушение бетона фундаментов карликовых светофоров, а также других железобетонных конструкций. Основной причиной подобного рода разрушения является попеременное замораживание и оттаивание воды, проникающей в поры бетона, что является следствием некачественного изготовления и низких марок бетона. Эти разрушения наблюдаются, как правило, в надземной части и поэтому при их чрезмерном развитии могут быть устранены своевременной заменой конструкции.
В процессе эксплуатации в центрифугированных железобетонных мачтах могут появляться специфические дефекты, продольные трещины в надземной части, направленные вдоль образующих конуса мачты. Причиной образования продольных трещин могут являться воздействие на конструкцию мачты и бетон температурно-влажностных факторов окружающей среды, а также недостатки технологии изготовления. В общем случае продольные трещины, расположенные в средней части мачты и не выходящие на концевые участки, не оказывают существенного влияния на несущую способность конструкции и могут только способствовать коррозии арматуры. Наличие же значительного числа хомутов, стягивающих мачты на различных уровнях, в определенной степени обеспечивает прочность конструкций, имеющих продольные трещины.

Кроме указанных повреждений, появляющихся в процессе эксплуатации, в железобетонных мачтах и фундаментах наблюдаются дефекты, образовавшиеся во время транспортировки и монтажа (поперечные трещины, сколы бетона и т. д.), которые не получают дальнейшего развития и соответственно не могут оказать влияние на долговечность конструкции.
Все повреждения и дефекты, встречающиеся в эксплуатируемых железобетонных конструкциях, можно разбить на три основные группы: повреждения подземной части мачт светофоров и фундаментов, имеющих непосредственную электрическую связь с рельсами, вследствие электрокоррозии (продольные трещины, расположенные вдоль арматурных стержней или анкерных болтов, следы ржавчины на поверхности бетона и отколы фундаментов); продольные и поперечные трещины, а также повреждения защитного слоя бетона (выбоины, раковины, отколы и т. д.) в надземной части; разрушения бетона в надземной части вследствие недостаточной его морозостойкости.
Железобетонные конструкции, имеющие те или иные повреждения, делятся на негодные, требующие заменили дефектные, подлежащие ремонту или защите от коррозии.
Замене подлежат: железобетонные фундаменты и мачты светофоров, имеющие продольные или поперечные трещины в подземной части (в порядке исключения на время, необходимое для проведения работ по замене конструкции, поврежденных мачт светофоров, можно усилить, устанавливая железобетонные или металлические приставки); железобетонные конструкции, у которых наблюдается разрушение бетона свыше 30 % поперечного сечения.
Один раз в три года оценивают состояние конструкций по результатам осмотров надземной и подземной частей, а на участках с электротягой постоянного тока — и по данным о токах стекания с арматурного каркаса фундаментной части. При необходимости используют данные об агрессивности атмосферы и почвы.
Основное число отказов светофоров приходится на светофорные лампы и нарушение контакта ламподержателя. Определенное число отказов составляют разрушения оснований и мачт светофоров из-за воздействия коррозии.
В табл. 13 дано процентное распределение отказов светофоров по элементам и причинам.
В устройствах железнодорожной сигнализации применяют лампы ЖС 12-15, ЖС 12-35, ЖС 12-15+15 и ЖС 12-25+25 в линзовых светофорах и ЖС 10-10, ЖС 10-5, ЖС 10-10-1, ЖС 10-5-1, ЖС 10-10-2, ЖС 10-5-2 в прожекторных. Лампы ЖС 10-10-2 и ЖС 10-5-2 имеют фокусирующий секторный цоколь, а ЖС 12-15+15 и ЖС 12-25+25 — фокусирующий фланцевый, остальные модификации ламп прожекторных светофоров, а также лампы линзовых светофоров имеют фокусирующий штырьковый цоколь. В обозначениях типа ламп буквы ЖС указывают на принадлежность ламп к железнодорожным светофорам: числа, следующие за буквами — номинальное напряжение в вольтах, далее — номинальную мощность или номинальные мощности основной и резервной нитей накала в ваттах. Лампы модификаций ЖС 10-5-1 и ЖС 10-10-1 отличаются от базовой модели ламп ЖС 10-5 и ЖС 10-10 формой колбы и в условиях эксплуатации взаимозаменяемы.

Выводы ламп должны быть прочно припаяны или приварены к контактам цоколя и не должны препятствовать вставлению ламп в патрон; крепление колбы к цоколю, а также корпуса цоколя к внутреннему стакану или фокусирующему фланцу цоколя должно быть прочным. Недопустимо отделение цоколя от баллона, корпуса цоколя от внутреннего стакана; лампы должны выдерживать без отказов включение в течение 10 с на напряжение, равное 115 % номинального; сопротивление ламп в холодном состоянии должно быть постоянным: для ЖС 12-15 — 0,4-0,2 Ом; ЖС 12-25 - 0,25-1,5 Ом.
На цоколе или колбе лампы должен быть оттиск с обозначениями товарного знака предприятия-изготовителя, номинальных напряжений в вольтах и мощности в ваттах, дата выпуска (квартал и год). Маркировка должна иметь отчетливое, нестирающееся и несмываемое изображение и не вызывать коррозии цоколя.
На ящике с упакованными лампами должна быть наклеена этикетка, содержащая товарный знак предприятия-изготовителя, наименование и обозначение ламп, номинальные напряжения в вольтах и мощность в ваттах, ГОСТ (ТУ), тип цоколя, число ламп и дату изготовления, клеймо отдела технического контроля.
При одной и той же температуре накала полная и полезная продолжительность горения зависит от скорости испарения нити накала, активности вредных газов, однородности диаметра вольфрамовой проволоки и постоянства шага спирали. Скорость испарения нити, в свою очередь, зависит от кристаллической структуры вольфрама, конструкции нити накала, состава и давления наполняющего газа.

Скорость испарения вольфрама сильно возрастает с повышением его температуры. Если бы нить накала имела по всей длине совершенно равномерную внутреннюю структуру и одинаковые размеры, то температура его на всем протяжении распределялась бы одинаково. Вещество нити накала в течение срока службы испарялось бы со всех участков тоже одинаково: поперечное сечение проволоки по всей длине равномерно бы уменьшалось, электрическое сопротивление проволоки возрастало, а потребляемая мощность и температура нити накала понижались. Теоретически такая лампа должна была бы постепенно прекратить светиться, а ее полная продолжительность горения должна быть бесконечно большой.
Однако на практике таких идеальных условий не бывает. Различные участки нити накала имеют неодинаковую рабочую температуру; концевые охлаждаются массивными электродами, а по мере удаления от них температура спирали повышается и достигает некоторого наивысшего значения в центральной части спирали.
У газонаполненных ламп постоянство температуры нити накала по длине сильно зависит от однородности шага спирали: участки со сближенными витками имеют более высокую температуру, чем участки с растянутыми витками. Продолжительность горения определяется износом спирали в наиболее дефектном участке. Самые незначительные дефекты служат причиной возникновения участков, имеющих температуру более высокую, чем у остальной нити.
Момент перегорания чаще всего совпадает с моментом включения лампы, когда пусковой ток через спираль значительно превышает рабочий. В момент перегорания сопротивление и тепловыделение на стыках разрушенного участка нити накала сильно возрастают. В месте разрыва возникает дуговой разряд, который приводит к расплавлению концов перегоревшей спирали. На концах спирали под действием поверхностного натяжения образуются маленькие вольфрамовые шарики, иногда заметные невооруженным глазом. По таким оплавленным концам можно отличить перегорание спирали от ее механического разрыва.
Согласно Инструкции по техническому обслуживанию устройств СЦБ (ЦШ/4616) работники РТУ дистанции сигнализации и связи должны проверить каждую светофорную пампу полученной партии перед установкой в эксплуатацию.
Каждую лампу подвергают обжигу в течение 1 ч номинальным напряжением переменного тока промышленной частоты 50 Гц; двухспиральную лампу обжигают по основной спирали. Резервную спираль проверяют на зажигание.
Для обнаружения недостатков сборки, влияющих на нормальную работу ламп, перед обжигом проверяют внешний вид каждой лампы. При этом обращают внимание на следующие условия: нить накала не должна быть растянутой и иметь короткозамкнутых или смятых витков и коробления, приводящего к межвитковым замыканиям; нить накала должна быть прочно зажата в выводах и обеспечивать надежный электрический контакт; стекло колбы лампы не должно иметь дефектов, препятствующих эксплуатации ее в линзовых комплектах; внутри лампы и трубки ножки допускаются свободно перемещающиеся частицы (изоляционное стекло), не способные повредить внутренние детали лампы и вызвать короткое замыкание; выводы электродов не должны соприкасаться друг с другом (короткое замыкание), также не должно быть выводов, образованных в результате холодной скрутки; на внутренних поверхностях лампы не должно быть налета от распыленных окислов вольфрама; купол колбы не должен быть деформирован во время огневой обработки маркировки; припайка бокового вывода к цоколю должна быть прочной и не препятствовать вставлению ламп в патрон; отверстие верхнего контакта должно быть полностью закрыто припоем: изоляционная масса цоколей не должна иметь трещин и отколов, влияющих на ее механическую прочность; штифты цоколей не должны быть деформированы.
В полученной партии допускается отбраковка 5 % ламп линзовых светофоров; 10 % для прожекторных ламп по продолжительности горения (перегорание при испытании в РТУ плюс в процессе эксплуатации).
Результаты проверки ламп фиксируют в РТУ (число проверенных из них годных и дефектных, характер дефектности, присвоенный номер годных ламп и т. д ). Присвоенный каждой лампе номер наносят на цоколе. О каждом случае перегорания ламп ранее установленного срока обслуживающий персонал должен сообщить в РТУ с указанием номера лампы.
Лампы линзовых светофоров для замены следует доставлять на объекты эксплуатации в индивидуальных картонных заводских трубках, а лампы прожекторных светофоров — в картонных коробках с ячейками. Полученные с завода лампы хранят в закрытых, сухих, проветриваемых помещениях. В воздухе должны отсутствовать кислотные, палочные и другие агрессивные примеси, вредно влияющие на параметры ламп.
Анализ статистической информации о работоспособности светофорных ламп показывает, что отказы светофорных ламп составляют от 2 до 4 % всех отказов устройств СПБ. Интенсивность отказов по данным отдельных дорог колеблется в пределах от 5 3 до КГ 3 1/год, т. е. я) 1000 находившихся в эксплуатации в течение года 5-10 ламп не выдержали установленного срока службы.
Наряду с преждевременным перегоранием светофорных ламп в эксплуатации имеет место потеря контакта из-за растрескивания латунных ламподержателей линзовых комплектов.
На срок службы лампы большое влияние оказывает питающее напряжение. Увеличение напряжения на 10 % номинального сокращает срок службы ламп примерно на 70 %, а при напряжении менее номинального на 5 % срок службы возрастает более чем в 2 раза. Следовательно, высокая надежность светофорных памп может быть достигнута в случае незавышения питающего напряжения или его стабилизации. Для этого необходимо при регулировке напряжения учитывать колебания напряжения питающей сети, перезаряд и недозаряд аккумуляторов при регулировке напряжений в аварийном режиме и другие факторы повышения напряжения.
Двухспиральные светофорные лампы ЖЛС 12-15+15 и ЖЛС 12-25+25 имеют фланцевый цоколь и две нити накала — основную, рассчитанную на 2000 ч горения, и резервную, имеющую продолжительность горения 300 ч. Основная спираль, находящаяся в фокусе, расположена на геометрической оси колбы, резервная находится сбоку от нее. Рабочее положение двухспиральных ламп горизонтальное, с фиксирующей выемкой цоколя вниз.