О методике расчёта механической работы локомотива и поезда

АННОТАЦИЯ

Предложен алгоритм графического и аналитического (табличного) способов расчёта механической работы внешних сил, действующих на поезд. Могут использоваться при оценке тягово – энергетической эффективности  локомотивов дизельной и электрической тяги в условиях эксплуатации.

ABSTRACT

An algorithm for graphical and analytical (tabular) methods for calculating the mechanical operation of external forces acting on a train is proposed. They can be used to assess the traction and energy efficiency of diesel and electric traction locomotives under operating conditions.

Ключевые слова: локомотив, поезд, скорость, расчёт, график, режим.

Keywords: locomotive, train, speed, calculation, schedule, mode.

Высокоэффективное использование энергетических ресурсов для тяги поездов непосредственно определяет количество и качество работы железных дорог, а энергосберегающая технология перевозочного процесса имеет первостепенное значение, где режим работы силовых энергетических систем локомотивов, обусловленный режимом тяги, является главным фактором их энергетической эффективности.

Для корректного обоснования сказанного необходимо уметь рассчитывать механическую работу сил тяги, сопротивления движению и тормозных на различных режимах ведения поезда – тяги, холостого хода и торможения.

Механическая работа локомотива, затрачиваемая на перемещение поезда, напрямую зависит от тягового качества профиля пути и трассы железной дороги, которые, в свою очередь, характеризуются крутизной, протяжённостью и расположением уклонов элементов профиля, а также кривизной пути.

Эти характеристики профиля пути оказывают существенное влияние на режимы движения поезда и работу силовых энергетических систем локомотива, расход электрической энергии и дизельного топлива локомотивами на тягу поездов, пропускную и провозную способности железных дорог, а также стоимость железнодорожных грузовых и пассажирских перевозок.

Опираясь на рекомендации [4,5], автором были разработаны и предложены соответствующие методики расчёта механической работы локомотива в режиме тяги [1] и поезда в целом [2], основу которых составляет графоаналитический метод расчёта.

Ниже предлагаем алгоритм вычисления (расчёта) механической работы сил основного сопротивления движению поезда в режиме тяги, для реализации которого поступаем следующим образом.

Предварительно строится и располагается рядом с кривой скорости V = f(S)

диаграмма W_О = f(V) сил основного сопротивления движению поезда в режиме тяги так, чтобы оси их скоростей совпали между собой (рис. 1).

Исходной информацией для реализации этих целей являются данные таблицы удельных равнодействующих сил поезда в режиме тяги и интегральная кривая скорости V = f(S), ранее построенная в результате тягового расчёта, а также заданный, спрямлённый профиль железнодорожного пути.

Рисунок 1. Алгоритм графического расчёта механической работы сил

основного сопротивления движению поезда в режиме тяги

По изломам интегральной кривой скорости V(S) намечаются (выбираются) интервалы скоростей движения поезда в пределах, не превышающих изменение скорости в 10 км/ч и с учётом упомянутой диаграммы W_О = f(V) строится графическая зависимость W_О = f(S) (рис. 1). По ней можно будет определять средние значения сил основного сопротивления движению поезда в каждом принятом для расчёта i – м интервале скоростей движения последнего.

Методика аналитического (табличного) расчёта механической работы А_С сил основного сопротивления движению поезда в режиме тяги приведена в табл. 1, где обозначено: V_Н, V_К – соответственно, скорости в начале и конце каждого i – го интервала скорости движения поезда, определяемого по зависимости V = f(S) при условии изменения интервала скорости ΔV ≤ 10 км/ч; W_ОН, W_ОК – соответствующие им силы основного сопротивления движению поезда, которые находим по диаграммам W_О = f(V) или W_О = f(S); W_Оср - среднее значение силы основного сопротивления движению поезда в каждом i – м интервале; ΔS_i – путь, проходимый поездом при изменении скорости движения в каждом i – м интервале.

Таблица 1.

Пример аналитического расчёта механической работы сил

основного сопротивления движению поезда в режиме тяги

Известные путь ΔS_i (км) и среднее значение сил W_Оср (кН) основного сопротивления движению поезда, которые он будет иметь при изменении скорости движения в каждом i – м интервале, позволят аналитическим путём определить механическую работу А_С упомянутых выше сил по такой формуле

МДж                                                       (1)

Для реализации методики расчёта механической работы А_С сил основного сопротивления движению поезда в режиме тяги определяем её значение в диапазоне изменения скоростей движения поезда от V₁=90 км∕ч до V₅=60 км∕ч (см. рис. 1) по исходным данным [3] – величина механической работы составляет А_С = 1186,61 МДж (табл. 1).

Исследованиями [1,3] установлено, что увеличение механической работы сил основного сопротивления движению однозначно связано с увеличением времени работы силовой энергетической установки (системы) локомотива под нагрузкой, то есть на режимах тяги, что приводит к увеличению расхода топливно - энергетических ресурсов, затрачиваемых на перемещение поезда.

Внешние управляемые машинистом силы, искусственно создаваемые тормозными средствами поезда во взаимодействии с рельсами и приложенные к ободам колёс в направлении, противоположном движению, называют тормозными силами поезда, а режим ведения поезда – тормозным.

При тормозном режиме кинетическая энергия движущегося поезда за весьма короткий промежуток времени преобразуется в работу тормозных средств, мощность которых в отличие от касательной мощности (силы тяги) локомотива, реализуемой при взаимодействии колес с рельсами, теоретически не имеет ограничений по величине.

Поэтому механическая работа тормозных сил поезда является важной и весомой составляющей при проведении теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию эффективности использования тягового подвижного состава в условиях эксплуатации.

На рис. 2 изображён предложенный автором алгоритм графического расчёта механической работы А_Т тормозных сил поезда.

Рисунок 2. Графическая интерпретация расчёта механической работы

тормозных сил поезда

Пример аналитического расчёта механической работы А_Т тормозных сил поезда по исходным данным [3] показан в табл. 2, где обозначено: V_Н, V_К – скорости в начале и конце каждого i – го интервала скорости движения поезда, определяемого по зависимости V = f(S) при условии изменения интервала скорости ΔV ≤ 10 км/ч; В_ТН, В_ТК – соответствующие им тормозные силы поезда, которые находим по диаграммам В_Т = f(V) или В_Т = f(S); В_Тср - среднее значение тормозной силы поезда в каждом i – м интервале; ΔS_i – путь, проходимый поездом при изменении скорости движения в каждом i – м интервале.

Аналогично [1,4], исходной информацией для реализации этих целей являются данные таблицы удельных равнодействующих сил поезда и интегральная кривая скорости V = f(S) на режимах торможения, а также заданный, спрямлённый профиль железнодорожного пути.

Интервалы скоростей движения поезда намечаются (выбираются), в пределах не превышающих изменение скорости в 10 км/ч, по изломам интегральной кривой скорости V(S) в режиме торможения и с учётом упомянутой диаграммы В_Т = f(V) строится графическая зависимость В_Т = f(S) (рис. 2), по которым можно будет определять средние значения тормозных сил поезда в каждом принятом для расчёта i – м интервале его скоростей движения.

Последовательность расчёта механической работы А_Т тормозных сил поезда в режиме торможения приведена в табл. 2.

Таблица 2.

Пример расчёта механической работы тормозных сил поезда

в режиме торможения 

Результирующее значение величины механической работы тормозных сил поезда на рассматриваемом участке счёта будем вычислять, используя данные табл. 2, по следующей формуле:

                    МДж                                             (2)

Таким образом, величина механической работы А_Т тормозных сил поезда на участке счёта составит

А_Т = 6034,68 + 5519,36 + 7426,00 + 7269,52 + 8024,74= 34274,3 МДж

Торможение производится для остановки поезда или регулирования его скорости уменьшением кинетической энергии движения и увеличение механической работы тормозных сил поезда, однозначно, будет происходить с увеличением длины тормозного пути.

Разработанные методики расчёта рекомендуется использовать при оценке тягово – энергетической эффективности локомотивов в условиях эксплуатации.

Список литературы:

1. Аблялимов О. С. Основы управления локомотивов [Текст] / О. С. Аблялимов, Э. С. Ушаков // Учебник для профессиональных колледжей железнодорожного транспорта. – Ташкент: «Davr», 2012. – 392 с.
2. Аблялимов О. С. Графоаналитический метод расчёта механической работы поезда [Текст] / О. С. Аблялимов, Х. К. Кабинов // Журнал «Вестник ТашИИТ» / Ташкентский ин-т. инж. ж.д. транспорта. – Ташкент, 2014. № 1. – С. 57 – 61.
3. Аблялимов О.С. Исследование эффективности использования тепловозной тяги на холмистом участке железнодорожного пути [Текст] / О. С. Аблялимов, Ж. Х. Атахажаев // Журнал «Вестник ТашИИТ» / Ташкентский ин-т. инж. ж.д. транспорта. – Ташкент, 2013. № 3/4. – С. 22 – 26.
4. Деев В. В. Тяга поездов [Текст] / В. В. Деев, Г. А. Ильин, Г. С. Афонин // Учебное пособие для вузов. – М.: Транспорт, 1987. – 264 с.
5. Подвижной состав и тяга поездов. [Текст] / Третьяков А. П. и др. Под ред. В. В. Деева, Н. А. Фуфрянского // Учебник для студентов вузов железнодорожного транспорта. – М.: Транспорт, 1979. – 368 с.