ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМ МАССЫ ПОЕЗДОВ

Значение правильного определения норм массы и условия их расчета. Масса и скорость движения поездов - важнейшие тягово-энергетические показатели локомотивов - характеризуют работу не только локомотивного хозяйства, но и железных дорог в целом, поскольку от них зависят пропускная и провозная способность дорог, себестоимость перевозок и производительность труда.



 В зависимости от массы и скорости поездов находят наивыгоднейший способ организации перевозок, устанавливают требования к технической оснащенности железных дорог, определяют основные параметры локомотивов, верхнего строения пути, длину станционных путей и т.д. Как правило, оптимальные значения массы и скорости поездов устанавливают на основании технико-экономических расчетов таким образом, чтобы обеспечить минимальные годовые приведенные расходы. Поэтому правильный расчет массы поездов имеет большое практическое значение.

Необходимо тщательно учитывать все факторы, связанные с установлением нормы массы поезда. Занижение этой нормы приводит к недоиспользованию тяговых качеств локомотива и, как следствие, к ухудшению тягово-энергетических, эксплуатационных и экономических показателей. Завышение ее вызывает снижение эксплуатационной надежности локомотивов и приводит к неудовлетворительному выполнению графика движения поездов. Всякое отклонение массы поезда от оптимального значения, установленного технико-экономическим расчетом, невыгодно. На железных дорогах нашей страны, которым свойственны огромные грузопотоки и большая дальность перевозок, в большинстве случаев наиболее целесообразной является наибольшая масса грузового поезда, который может быть надежно проведен локомотивом. Масса пассажирских поездов также определяется из условия максимального использования мощности локомотива и устанавливается МПС по целым направлениям в зависимости от категории поезда (скорый, пассажирский и т.д.). В соответствии с нормативами ПТР массу состава и скорость движения поезда определяют исходя из условий полного использования мощности и тяговых качеств локомотива, а также кинетической энергии поезда. В необходимых случаях в целях повышения провозной способности линий, ликвидации перелома весовых норм поездов для обеспечения заданной массы состава и технической скорости предусматривают подталкивание, кратную тягу, применяют более мощные локомотивы, переносят остановки с раздельных пунктов, расположенных перед затяжными подъемами,и т. д.

Массу поезда определяют по расчетным характеристикам локомотивов (расчетной силе тягм) для наиболее трудного на участке подъема, который называют расчетным или руководящим подъемом и обозначают ip. Поэтому расчету массы поезда предшествует анализ профиля пути участка.

Метод расчета массы поезда зависит от профиля пути. Различают два основных типа профиля пути. К первому из них относят участки с затяжными наиболее крутыми подъемами, длина которых достаточна для того, чтобы поезд достиг равномерной (равновесной) скорости, соответствующей сопротивлению движению на этом подъеме. Такой подъем принимается в качестве расчетного. При профиле пути второго типа в процессе движения поезда по подъему максимальной крутизны скорость его падает, однако не успевает достичь равномерной. В этом случае в качестве расчетного выбирают подъем меньшей крутизны, но большей протяженности.

Расчет массы (веса) состава по условиям безостановочного движения по расчетному подъему с равномерной скоростью. Этот расчет

*кр - ("о + !'p)f

выполняют по формуле Q=—--—, считая полученный резуль-

Wo+ 'р

тат численно равным массе состава.

Значение расчетной силы тяги локомотива и основных удельных сопротивлений движению определяют для расчетной скорости локомотива, установленной ПТР. Выбор расчетной скорости локомотивов осуществляется следующим образом. Для электровозов расчетную скорость принимают по тяговой характеристике в точке пересечения ограничений силы тяги по сцеплению или максимальному току с одной из автоматических характеристик. Для тепловозов расчетную скорость принимают по условиям работы тяговых электродвигателей в длительном режиме.

Расчетные характеристики локомотивов основных серий для определения массы составов приведены в табл. 3 для грузовых электровозов и в табл. 4 для грузовых тепловозов. Основное удельное сопротивление вагонов в табл. 3 и 4 определено для состава из четы-

рехосных груженых вагонов с массой, приходящейся на ось 17,5 т. Принято, что половина вагонов в составе оборудована роликовыми подшипниками.

Результаты расчета веса состава по условиям безостановочного движения по расчетному подъему с равномерной скоростью в зависимости от расчетного подъема для локомотивов некоторых серий приведены на рис. 11. Расчет проведен по данным табл. 3 и 4.

Расчетные значения силы тяги и скорости тепловозов установлены при стандартных атмосферных условиях, за которые приняты температура наружного воздуха 20 "С, атмосферное давление, равно 1013 ГПа, или 760 мм рт. ст. Поскольку при атмосферных условиях, отличающихся от стандартных, изменяется мощность дизеля тепловоза, расчетные значения силы тяги корректируют, вводя коэффициенты, значения которых приводятся в Правилах тяговых расчетов. Например, при повышении температуры наружного воздуха до 40 °С предусматривается снижение расчетного значения силы тяги для тепловозов с дизелями 10Д100 (2ТЭ10М, 2ТЭ10В, ЗТЭ10М), 11Д45 (ТЭП60, 2ТЭП60) на 10 %, с дизелями 2Д100 (ТЭЗ, ТЭ7) и 2А-5Д49 (ТЭП70) на 9 %, 14Д40 (М62, 2М62) на 11 %. Аналогично понижается расчетное значение силы тяги при падении атмосферного давления.

Для тепловозов введено понятие расчетной массы (см. табл. 4), поскольку прл работе их на удлиненных участках обращения допускается расходование до 90 % запасов дизельного топлива и песка. У тепловозов 2ТЭ10Л и 2ТЭ10В это означает уменьшение сцепного веса на 13,4 тс, а у тепловоза 2ТЭ116 - на 14,5 тс. Если не учитывать этого при определении нормы массы поезда, может возникнуть боксование, особенно на участках, где имеется ограничение по сцеплению. Поэтому

и вводится понятие расчетной массы тепловоза, соответствующей трети полного запаса дизельного топлива и песка.

Расчет массы состава с использованием кинетической энергии поезда. Рассмотренный метод определения массы поезда относится к случаю движения его по руководящему подъему с равномерной скоростью. Если же характер профиля пути, расположение остановочных пунктов и допускаемые по состоянию пути скорости движения на участке не позволяют надежно определить значение расчетного подъема, расчет массы поезда ведут с учетом его кинетической энергии исходя из того, что поезд движется по подъему с понижающейся скоростью и, теряя при этом кинетическую энергию, совершает дополнительную работу сверх той, на которую затрачивается сила тяги локомотива.

Для таких участков массу состава рассчитывают методом подбора. Для этого задаются расчетным подъемом, меньшим, чем самый крутой на участке; определяют по нему массу состава исходя из условий безостановочного движения по расчетному подъему с равномерной скоростью для локомотива данной серии и рассчитывают удельные ускоряющие силы поезда. Полученную массу состава проверяют на прохождение поездом участков профиля пути с подъемами большей крутизны, чем расчетный, учитывая при этом использование кинетической энергии поезда. Проверка проводится графическим или аналитическим способом.

При графическом способе проверки, используя диаграммы ускоряющих сил поезда (см. рис. 9,10), определяют скорость движения для всех перегонов, на которых крутизна подъемов по спрямленному профилю превышает крутизну подъема, принятую для расчета массы состава. Построение зависимости скорости от пути начинают с элемента профиля, на котором скорость движения поезда может быть заранее известна, например от раздельного пункта, где была остановка; подъема, где движение осуществляется с равновесной скоростью; от пункта, где имеется ограничение скорости, и т.д.

Аналитическую проверку выполняют по формуле:

4,17(»2Н- »*„) - ,

/к- WK

где s — длина проверяемого участка профиля с подъемом большей крутизны, чем у расчетного подъема, м; »» vK—скорость движения поезда соответственно в начале и конце проверяемого подъема, км/ч; /к— wK — средняя ускоряющая сила, действующая на поезд в пределах интервала скорости от »н до vK) кгс/т .

Для обеспечения необходимой точности аналитического расчета интервалы изменения скорости следует брать в пределах 10 км/ч. Тогда длина проверяемого участка профиля пути представляет собой сумму путей, проходимых поездом в каждом интервале скорости.

При проверке любым способом можно считать, что масса состава определена правильно, если скорость движения поезда в конце проверяемого подъема получилась равной или несколько большей расчетной для локомотива данной серии.

В отдельных случаях в зависимости от местных условий эксплуатируемых железных дорог разрешается скорость выхода со скоростных подъемов1 принимать ниже расчетной, а именно:

для электровозов постоянного тока и двойного питания (BJI82, ВЛ82м) - по значению скорости при полном возбуждении на последовательно-параллельном соединении тяговых двигателей;

для электровозов переменного тока - по значению скорости при нормальном возбуждении на 12-й позиции у электровозов ВЛбО*, ВЛ60Р, ВЛ80*, ВЛ801, ВЛ80с и 0,5 зоны 3 у электровоза ВЛ80Р;

для тепловозов ТЭЗ, М62 и 2М62 - 16 км/ч, тепловозов 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, ЗТЭ10М и 2ТЭ116 - 20 км/ч, при выходе на ограничение по сцеплению с переходом на режимы, соответствующие промежуточным позициям контроллера машиниста.

Во всех случаях протяженность пути, проходимого со скоростью, меньшей расчетной, не должна превышать 500 м. Отступление от этого норматива может быть допущено МПС при наличии резервов пропускной способности участка и соблюдении установленных норм по нагреву тяговых электрических машин.

Проверка массы состава при трогании с места. При составлении графика движения и в практической деятельности железных дорог остановка поездов может предусматриваться на линейных станциях и разъездах для скрещения на однопутных линиях и обгона на двухпутных. Нередко указанные пункты расположены на подъемах до 2,5 %0, и при трогании с места состава локомотиву приходится преодолевать не только основное сопротивление движению, которое значительно больше, чем при движении с равномерной скоростью, но и дополнительное. Отметим, что и сила тяги при трогании с места FK тр значительно выше, чем при движении с расчетной скоростью. Избыточная сила тяги расходуется на преодоление повышенного сопротивления движению при трогании с места и на ускорение поезда. Возможны случаи, когда при остановках поезда в пути на крутых подъемах трогание с места затруднено, а иногда становится и невозможным. В таких случаях требуется использовать дополнительный локомотив или выводить состав по частям. Массу состава по условиям трогания на остановочных пунктах, считая ее численно равной весу, проверяют пользуясь формулой

гле FK 1р - сила тяги при трогании; wn - удельное сопротивление состава при трогании с места на площадке; iTD — крутизна уклона, на котором производится трогание состава; Р — вес локомотива.

Скоростным называют подъем, где скорость движения поезда не снижается до равномерной (равновесной).

Масса состава, рассчитанная по этой формуле, должна быть больше массы, рассчитанной по условиям безостановочного движения по расчетному подъему с равномерной скоростью с учетом использования кинетической энергии поезда. Значения расчетной силы тяги пои трогании и расчетного веса локомотивов приведены в табл. 3 и 4.

Отметим некоторые особенности определения силы тяги при кратной тяге и подталкивании. Силу тяги принимают равной 100 % расчетной, включая случаи расположения подталкивающего локомотива в хвосте поезда. Если тяга осуществляется локомотивами разных серий, то расчетная скорость принимается по тому локомотиву, у которого она больше.

Для предотвращения разрыва поездов наибольшую суммарную силу тяги локомотивов, находящихся в голове поезда, при трогании поезда с места находят исходя из максимального допустимого продольного усилия на автосцепке первого вагона при трогании: оно равно 95 тс. Наибольшую суммарную силу тяги при разгоне и движении по труднейшему подъему определяют исходя из максимального допустимого продольного усилия на автосцепке 130 тс. Для локомотивов, работающих по системе многих единиц, указанное ограничение силы тяги принимают как предельное исходя из условий прочности эксплуатируемого подвижного состава.

Чтобы не произошло выжимания вагонов, продольные силы, возникающие при подталкивании или электрическом торможении локомотивами, находящимися в голове поезда, не должны превосходить максимальных допустимых значений. Эти силы зависят от типа и степени загрузки вагонов, находящихся в поезде, с учетом сопротивления движению локомотивов. При нагрузке от оси колесной пары на рельсы наименее нагруженного вагона 12 тс и менее для четырехосных вагонов допустимая продольная сила составляет 50 тс, а для шести- и восьмиосных вагонов - 100 тс. Если же нагрузка от оси колесной пары на рельсы превышает 12 тс, то допустимая продольная сила для четырехосных вагонов равна 100 тс, а для шести- и восьмиосных - 250 тс.

Проверка массы поезда по длине приемо-отправочных путей. Для того чтобы обеспечить возможность скрещения и обгона поездов, массу поезда необходимо проверить на возможность пропуска его по приемо-отправочным путям станций исходя из их длины. Длина поезда должна быть менее полезной длины приемо-отправочных путей на участках обращения данного поезда с учетом десятиметрового допуска на установку поезда. Для того чтобы определить длину поезда, суммируют длину вагонов (по осям автосцепок), из которых сформирован состав, и длину локомотивов. Длина подвижного состава для определения длины поезда приводится в ПТР.

Проверка массы поезда по нагреванию электрических машин. Рассчитанную по руководящему (из условия безостановочного движения с равномерной скоростью) или скоростному (с использованием кинетической энергии) подъему массу поезда после проверки на трогание с места и установку в пределах длины приемо-отправочных

путей станции участка проверяют по нагреванию обмоток электрических машин.

В электрических машинах при работе возникают потери энергии, приводящие к нагреву их обмоток. Температура нагрева может достигать недопустимых значений, что требует ограничивать силу тяги и мощность тягового подвижного состава. Все это определяет необходимость ограничения по нагреванию электрических машин.

Как известно, температура нагрева электрических машин зависит от потерь мощности, которые определяются тяговой нагрузкой, продолжительностью нагрева и интенсивностью охлаждения. Чем больше ток, протекающий в обмотках тягового двигателя, и время его протекания, тем сильнее нагревается двигатель. Чрезмерный нагрев ускоряет процесс старения изоляций, т.е. потерю изоляционных свойств. Ограничение температуры нагрева обмоток электрических машин устанавливают исходя из ее максимального допустимого значения для применяемых изоляционных материалов. Это ограничение необходимо учитывать при выборе режима ведения поезда.

Так как нет приборов, контролирующих температуру обмоток электрических машин, локомотивные бригады обычно пользуются токовыми таблицами, в которых указана возможная продолжительность работы при определенных токах и нормально действующей вентиляции без повреждения изоляции. Таблицы могут быть построены по кривым нагревания и охлаждения обмоток электрических машин, получаемых при испытаниях на стенде.

С целью проверки массы поезда по нагреванию обмоток электрических машин определяют превышение температуры (перегрев) лимитирующих обмоток над температурой наружного воздуха. Для электроподвижного состава расчет проводят как при номинальном напряжении на токоприемнике, так и при отличающемся от номинального на тех участках, где это наблюдается. При кратной тяге проверяют нагревание обмоток электрических машин наиболее нагруженного локомотива.

Наибольшее допускаемое превышение температуры обмоток зависит от класса изоляции и при максимальной температуре окружающего воздуха менее 40 °С составляет для классов изоляции В, F и Н соответственно 120, 140 и 160 °С для якорных обмоток и 130, 155 и 180 "С для полюсных. Для электровозов ВЛ22М, ВЛ23, BJI8, BJI60 и BJ180 всех индексов, ЧС2, ЧС2Т, ЧСЗ и тепловозов ЧМЭЗ, ТЭМ2, ТЭЗ, М62, 2М62, ТЭ7, ТЭ10, 2ТЭ10Л, ТЭП60, 2ТЭП60 расчет ведется по якорной обмотке с изоляцией класса В. Для тепловозов 2ТЭ10В, ЗТЭ10М, 2ТЭ116 расчет ведут по якорной обмотке с изоляцией класса F, а для электровозов ЧС4, ЧС4Т и тепловозов ТЭП70 - с изоляцией класса Н. По обмотке полюсов с изоляцией класса В ведут расчет для электровозов BJI10, ВЛ10У, BJ111, а с изоляцией класса F - для электровозов BJI82 и ВЛ82М. Максимальную (расчетную) температуру наружного воздуха принимают для каждого района по данным метеорологических станций как среднюю многолетнюю не менее чем за пять лет. Если она превышает 40 "С, то допускаемые превышения температур уменьшают на столько же градусов.

Расчетную температуру определяют отдельно для летнего периода по замерам в июне, июле и августе, но не ниже 15 "С и для зимнего периода по замерам в декабре, январе и феврале, но не ниже 0 °С.

Не менее важно определение токовых нагрузок проверяемых электрических машин. Для электровозов переменного тока и тепловозов токи тяговых двигателей и генератора определяют на основании кривой изменения скорости по перегону и токовой характеристики (зависимости тока от скорости движения), приводимой в ПТР.

Для электроподвижного состава постоянного тока, на котором имеют место перегруппировки тяговых двигателей, кроме того, следует учитывать позицию регулирования как в тяговом, так и в рекуперативном режимах.

Расчеты на нагревание обмоток путем определения превышения их температуры выполняются аналитическим или графическим методом. При аналитическом методе пользуются формулой, которая позволяет определить превышение температуры обмоток т над температурой наружного воздуха через интервал времеьи А

где т<х> — установившееся превышение температуры обмоток тяговых электрических машин над температурой охлаждающего воздуха, "С; Т— тепловая постоянная времени в уравнении нагревания, мин; Д t — интервал времени, мин; т — начальное превышение температуры обмоток тяговых электрических машин для расчетного промежутка времени, "С.

Температуру электрических машин при езде на выбеге (без тока) рассчитывают какт =то(1 - Д t/T).

Для того чтобы обеспечить необходимую точность расчетов, интервалы времени At необходимо выбирать из условия Дt/T < 0,1. Значения тепловых параметров Too и Т в зависимости от тока приведены в ПТР.

Графическое определение превышения температуры обмоток электрических машин производится по методу А. И. Матвиенко путем построения кривой, выражающей изменение превышения температуры обмоток электрических машин в зависимости от пройденного пути. Для построения кривой используют графическую зависимость скорости движения от пути v(s), тепловые характеристики электрических машин, приведенные в ПТР, и диаграммы тепловых коэффициентов, »г представляющих собой зависимость -тг- (loo). При графическом опре-

ои делении превышения температуры обмоток электрических машин над температурой окружающего воздуха значительно ускоряется расчет и обеспечивается наглядность его результатов.

Независимо от применяемого метода расчетом необходимо определить максимальное превышение температуры обмоток тяговых машин ттах в летний и зимний периоды года. После сравнения полученных данных с предельным допустимым превышением температуры ттах можно оценить возможность реализации массы поезда, ранее определенной из условий движения по руководящему или скоростному подъему.

Определение критической массы (критического веса) поезда.

Помимо проверки массы поезда по нагреванию электрических машин, указанный метод расчета используют и с этой целью. Критической называют наибольшую массу поезда для заданного участка и времени года, рассчитанную при условии полного использования силы тяги по сцеплению и ограниченную предельно допустимым превышением температуры обмоток тяговых электрических машин локомотивов над температурой наружного воздуха. Необходимость определения критической массы поезда вызвана тем, что на ряде направлений железнодорожной сети нормы массы унифицированы и установлены не по тяговым возможностям локомотива, включающим ограничения по сцеплению и нагреванию обмоток электрических машин, а по полезной длине станционных приемо-отправочных путей. Параллельно унифицированным могут действовать участковые более высокие нормы массы. Но во всех случаях должно быть соблюдено следующее условие: сила тяги локомотива не должна превышать расчетных значений, а другие параметры, включая температуру обмоток электрических машин локомотива, должны находиться в пределах, установленных Правилами тяговых расчетов и соответствующими инструкциями. Соблюдение этого условия необходимо проверять тяговыми расчетами и опытными поездками с динамометрическим вагоном. С этой же целью определяют значение критической массы поезда и устанавливают ее приказом начальника железной дороги. Только при этом могут быть созданы условия для обеспечения сохранности, работоспособности и надежности локомотивного парка. Каждая локомотивная бригада должна понимать, что повышенная нагрузка локомотивов из-за превышения нормативов, заложенных в график движения, может приводить к превышению расчетных значений тока, а следовательно, температуры нагревания обмоток тяговых электрических машин, к преждевременному старению и повреждению изоляции. При вождении поездов, масса которых превышает расчетную критическую, повышается износ и происходят повреждения (иногда аварийного характера) деталей экипажной части, дизелей, электрических машин и других узлов локомотивов.

Вождение поездов, масса которых превышает критическую, запрещено.