 |
Расчет массы состава грузового поезда и установление весовых норм на железнодорожном участке
|
|
|
|
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Казахская академия транспорта и коммуникаций
Имени М. Тынышпаева
Кафедра «Локомотивы»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной
И научной работе
________________М.Б. Имандосова
«_____»_______________20__г.
Методические указания
На выполнения самостоятельной работы студента
По дисциплине «Подвижной состав и тяга поездов»
(для студентов специальности 5В09100 – Организация
Перевозок, движения и эксплуатации транспорта)
Алматы – 2012
УДК 629.4.016.12 (075.8)
Методические указания для выполнения самостоятельной работы студента составлены в соответствии с рабочим учебным планом дисциплины компонента по выбору «Подвижной состав и тяга поездов» для студентов специальности бакалавриата 5В09100 – Организация перевозок, движения и эксплуатации транспорта.
Рецензенты: Кожигулов А.К. – к.т.н., доцент КУПС;
Чигамбаев Т.О. – к.т.н., доцент КазАТК.
Авторы: Сабетов А. – д.э.н., профессор КазАТК;
Альжанов Б.Б. - к.т.н., доцентКазАТК.
В методических указаниях изложены методы производства тяговых расчетов применительно к тепловозной и электрической тяге. Дано представление о применении в тяговых расчетах персональных компьютеров. Приведены примеры решения задач.
Предназначено для изучения студентами специальности 5В09100 – «Организация перевозок, движения и эксплуатации транспорта» разделов дисциплин «Теория локомотивной тяги» и «Подвижной состав и тяга поездов». Может быть полезно слушателям института повышения квалификации и специалистам железнодорожного транспорта.
Методические указания обсуждены и получили положительное решение на кафедре «Локомотивы» (Протокол №9 от 02 апреля 2012года).
|
|
|
Методические указания рассмотрены и получили положительное заключение на УМБФ «Транспортная техника» (Протокол №__ от __________ 2012 года).
Методические указания рекомендованы к изданию в открытой печати и использованию в учебном процессе на УМС академии (Протокол №_ от ___________ 2012года).
ã М.Тынышпаев атындағы ҚазККА, 2012.
© Сабетов А., Альжанов Б.Б. 2012.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.. 4
ЗАДАНИЕ НА САМОСТОЯТЕЛЬНУЮ РАБОТУ СТУДЕНТА.. 4
1 Расчет массы состава грузового поезда и установление весовых норм на железнодорожном участке.. 5
2 Подготовка профиля пути для выполнения тяговых расчетов.. 11
3 Расчет и построение диаграммы удельных равнодействующих сил.. 16
4 РЕШЕНИЕ ТОРМОЗНЫХ ЗАДАЧ.. 23
5 Расчет времени хода поезда способом равновесных скоростей.. 30
6 Расчет и построение кривой скорости движения поезда.. 32
7 Расчет и построение кривой времени движения поезда.. 36
ЛИТЕРАТУРА.. 38
ВВЕДЕНИЕ
Изучение курса «Подвижной состав и тяга поездов» студентами специальности 5В09100 и предусматривает в соответствии с рабочим учебным планом выполнение самостоятельной работы студента. В настоящих методических указаниях приведены объём, содержание и порядок выполнения самостоятельной работы студента по дисциплине "Подвижной состав и тяга поездов".
Целью и задачей самостоятельной работы студента является закрепление теоретических знаний, полученных студентами в лекционном курсе и самостоятельной подготовке; приобретение практических навыков расчета и анализа термодинамических циклов и тепловых процессов протекающих в них.
ЗАДАНИЕ НА САМОСТОЯТЕЛЬНУЮ РАБОТУ СТУДЕНТА
Работа представляется в виде расчетно-пояснительной записки со всеми необходимыми выкладками и графиками, и состоит из разделов:
|
|
|
1 Расчет массы состава грузового поезда и установление весовых норм на железнодорожном участке
2 Подготовка профиля пути для выполнения тяговых расчетов
3 Расчет и построение диаграммы удельных равнодействующих сил
4 Решение тормозных задач
5 Расчет времени хода поезда способом равновесных скоростей
6 Расчет и построение кривой скорости движения поезда
7 Расчет и построение кривой времени движения поезда
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Самостоятельная работа студента (пояснительная записка) оформляется на листе формата 297х 210 мм. согласно требованиям ГОСТа.
При оформлении самостоятельной работы студента необходимо соблюдать следующие правила:
1) Решения должны сопровождаться краткими объяснениями. При вычислении какой- либо величины нужно словами указывать, какая величина вычисляется.
2) Приводить формулы, из которых величины определяются, и лишь затем подставлять соответствующие числовые значения и производить вычисления.
3) Единицы измерения величин приводить в системе СИ.
4) Вычисления проводить с точностью до одного знака после запятой.
5) Все страницы нумеруются.
6) Графики выполнять на миллиметровой бумаге формата А-4 или А-3 с указанием масштабов координат.
7) Пояснительная записка завершается заключением, содержащим краткие выводы и обобщения.
Перед выполнением самостоятельной работы студента студент должен ознакомиться с методикой расчета, приведенной в методическом указании.
Расчет массы состава грузового поезда и установление весовых норм на железнодорожном участке
В соответствии с действующими Правилами тяговых расчетов массу грузового состава определяют, исходя из условий полного использования мощности и тяговых качеств локомотива, а также кинетической энергии поезда.
Различают два типа профиля пути. На участке с профилем первого типа наиболее крутые подъемы имеют большую протяженность, достаточную для достижения равновесной скорости. Второй тип профиля пути характерен тем, что длина наиболее крутых подъемов относительно мала и равновесную скорость на таких подъемах поезд, как правило, не достигает.
В зависимости от характера профиля пути массу состава грузового поезда рассчитывают, исходя из условия движения с равновесной скоростью по затяжному подъему или из условия движения по наиболее крутым, но менее протяженным подъемам со снижающейся скоростью, используя кинетическую энергию поезда.
|
|
|
Наиболее трудный подъем, на котором в процессе движения поезда устанавливается постоянная (равновесная) скорость, называют расчетным подъемом рассматриваемого участка.
Подъем наибольшей на рассматриваемом участке крутизны и относительно небольшой протяженности, который поезд преодолевает за счет кинетической энергии, накопленной до вступления на этот элемент профиля пути, называют скоростным или инерционным.
Расчет массы состава при условии, что поезд движется с равновесной скоростью на расчетном подъеме. Максимальную массу грузового состава, который заданный локомотив может перемещать по заданному участку, определяют из условия, что скорость движения поезда не должна опускаться ниже расчетной. Это условие вызвано тем, что продолжительное движение поезда в режиме тяги со скоростью ниже расчетной может привести к перегреву тяговых двигателей и выходу их из строя. Значения расчетной скорости v р и соответствующей этой скорости расчетной силы тяги F кр являются паспортными характеристиками локомотива и приводятся для каждой серии, например, в Правилах тяговых расчетов [1]. Чтобы обеспечить движение поезда со скоростью не ниже расчетной, массу состава выбирают таким образом, чтобы на самом трудном элементе профиля пути, называемом расчетным подъемом (иногда руководящим), равновесная скорость была равна расчетной. В этом случае, если скорость на таком элементе достигнет равновесной, а подъем в силу своей протяженности еще не закончился, скорость до конца элемента останется неизменной. Условием определения массы состава при этом является равенство нулю ускорения движения поезда при расчетной скорости v р на расчетном подъеме i р. Из уравнения движения поезда 
следует, что названное условие выполняется при равенстве равнодействующей сил, приложенных к поезду, нулю. Поскольку на расчетном подъеме поезд движется в режиме тяги, равнодействующая сил, приложенных к поезду, складывается из сил тяги и сопротивления движению поезда:
|
|
|
, (1)
и, поскольку масса локомотива и масса состава отличны от нуля,
, (2)
где 
– расчетное значение касательной силы тяги;
– общее сопротивление движению поезда при расчетной скорости на расчетном подъеме.
Общее сопротивление движению поезда складывается из основных и дополнительных сопротивлений движению локомотива и состава.
Допустим, что дополнительное сопротивление движению поезда включает в себя только сопротивление от уклона, тогда
, (3)
Подставим (3) в (2):
, (4)
Из (4)
, (5)
Таким образом, выражение (5) позволяет рассчитать массу состава, который заданный локомотив может провести по расчетному подъему любой протяженности, не снижая скорость движения ниже расчетной. Эмпирические выражения для вычисления значений основного удельного сопротивления движению различных единиц подвижного состава приведены в разделе 3 методического указания.
Если на рассматриваемом элементе профиля пути располагается кривая, то следует это учесть. Заменив кривую фиктивным подъемом, который вычисляют в соответствии с эмпирическим выражением
, (6)
и, просуммировав это значение с величиной действительного уклона на расчетном подъеме, получаем значение 
расчетного подъема для подстановки в выражение (5). Здесь R кр – радиус кривой в метрах.
Пример 1. Определить массу состава поезда, состоящего из четырехосных вагонов массой 80 т каждый, который тепловоз 2ТЭ116 может провести по участку с расчетным подъемом, уклон которого i = 8 ‰, расположенному в кривой радиусом R кр = 1500 м. Путь звеньевой.
Решение. Расчетная сила тяги и скорость тепловоза 2ТЭ116 равны соответственно vр = 24,2 км/ч, Fкр = 506000 Н [1]. Следовательно, основное удельное сопротивление движению тепловоза
Основное удельное сопротивление движению груженых четырехосных вагонов на подшипниках качения (роликовых) по звеньевому пути определятся в соответствии с выражением
Масса рассматриваемых в примере вагонов, приходящаяся на одну ось (осевая нагрузка), 
Подставляя значения расчетной скорости и осевой нагрузки в выражение для основного удельного сопротивления движению четырехосных вагонов на звеньевом пути, получим
.
Расчетный подъем 
. Тогда в соответствии с выражением (5) расчетная масса состава
или, округляя в соответствии с требованиями ПТР до 50 т, 
.
Пример 2. Определить массу состава для исходных данных примера 1 при условии, что состав поезда включает 50 % по массе четырехосных вагонов на роликовых подшипниках массой 80 т каждый и 50 % восьмиосных вагонов каждый массой 140 т.
|
|
|
Решение. Осевая нагрузка восьмиосных вагонов 
. Основное удельное сопротивление восьмиосного вагона
Средневзвешенное основное удельное сопротивление состава
.
Здесь значение 
принято из примера 1.
Масса состава
Расчет массы состава с учетом использования кинетической энергии поезда. Если на участке пути, по которому движется поезд, невозможно однозначно выбрать расчетный подъем, то массу состава определяют методом подбора. Для этого за расчетный принимают подъем меньший, чем самый крутой на участке. Определяют массу состава в соответствии с выражением (5). Затем проверяют, может ли принятый локомотив, перемещая состав рассчитанной массы, преодолеть элементы профиля большей крутизны, чем расчетный подъем. Проверка заключается в расчете скорости движения поезда для всех подъемов, крутизна которых превышает крутизну подъема, для которого рассчитана масса состава. Расчет зависимости v (s) начинают от места, для которого скорость движения может быть известна. Например, это может быть остановочный пункт, где наверняка была остановка или протяженный элемент профиля, на котором устанавливается равномерная скорость, место с ограничением скорости и т.п. Расчет зависимости v (s) можно выполнять графически, аналитически либо путем численного интегрирования уравнения движения поезда. Если скорость движения в конце проверяемого подъема оказывается равной или большей, чем расчетная скорость для принятого локомотива, можно считать массу состава принятой. Рассмотрим пример.
Пример 3. Рассчитать массу состава, с которым локомотив серии 2ТЭ116 может преодолеть участок пути, профиль которого приведен в таблице 1. Исходные данные по составу поезда принять из примера 1.
Таблица 1
Профиль участка
| Номер элемента | |||||||||||
| i, ‰ | -3 | -7 | -8 | ||||||||
| s, м |
Решение.
Анализ профиля пути показывает, что к наиболее крутому на рассматриваемом участке подъему с уклоном 9 ‰ и длиной 2000 м (6-й элемент) поезд может подойти с предельно допустимой скоростью, поскольку ему предшествуют затяжные спуски. В то же время, очевидно, что после движения по этому элементу профиля пути, к моменту вступления на подъем длиной 5500 м с уклоном 7 ‰ скорость движения поезда значительно упадет, и нет оснований полагать, что этот элемент может быть преодолен за счет накопленной ранее кинетической энергии. Поэтому принимаем подъем длиной 5500 м с уклоном 7 ‰ за расчетный. Из примера 1 принимаем vр = 24,2 км/ч, Fкр = 506000 Н. Основное удельное сопротивление движению тепловоза при расчетной скорости 
. Для состава 
. Тогда масса состава в соответствии с выражением (5)
.
Чтобы убедиться в том, что с таким составом принятый тепловоз преодолеет и подъем 9 ‰, рассчитаем, как изменяется скорость по мере движения поезда по данному подъему. Вычисления проведем путем аналитического интегрирования уравнения движения поезда в соответствии с выражением
.
Допустим, что к моменту вступления на рассматриваемый подъем скорость поезда v = 80 км/ч. ПТР рекомендуют для повышения точности расчета интервалы изменения скорости движения принимать в пределах 10 км/ч. Чтобы рассчитать расстояние, которое поезд пройдет при понижении скорости от 80 км/ч до 70 км/ч, необходимо определить значение удельной замедляющей силы rср для средней на рассматриваемом интервале скорости v = 75 км/ч:
.
Из тяговой характеристики тепловоза 2ТЭ116, приведенной в ПТР, для скорости v = 75 км/ч значение касательной силы тяги Fк = 172200 Н.
Основное удельное сопротивление движению тепловоза
.
Основное удельное сопротивление движению груженых четырехосных вагонов на подшипниках качения (роликовых) по звеньевому пути при осевой нагрузке 
.
Удельная замедляющая сила
Н/т.
Расстояние, пройденное поездом при изменении скорости движения от 80 км/ч до 70 км/ч,
.
Сведем расчеты в таблицу 2.
Таблица 2
Расчет движения поезда по подъему с уклоном 9 ‰
| v1, км/ч | v2, км/ч | vср, км/ч | Fк, Н |  ,
Н/т
|  ,
Н
|  ,
Н/т
|  ,
Н
|  ,
Н
|  ,
Н
|  ,
Н/т
|  ,
Н/т
|  ,
м
|  ,
м
|
| 80 | 70 | 75 | 172200 | 43,4 | 11978 | 19,3 | 114835 | 126813 | 45387 | 7,3 | -82,7 | 756 | 756 |
| 70 | 60 | 65 | 198270 | 38,2 | 10543 | 17,0 | 101150 | 111693 | 86577 | 13,9 | -76,1 | 712 | 1468 |
| 60 | 50 | 55 | 235010 | 33,6 | 9274 | 15,0 | 89250 | 98524 | 136486 | 21,9 | -68,1 | 674 | 2142 |
Так как 2142 > 2000 м, тепловоз 2ТЭ116, перемещая состав массой Q = 5950 т, преодолеет подъем 9 ‰ длиной 2000 м. При этом скорость движения поезда не успеет опуститься до расчетной. Следовательно, 8-й элемент рассмотренного фрагмента профиля пути следует принять за расчетный подъем, а расчетная масса состава при этом Q = 5950 т.
Если расчеты показывают, что расстояние, проходимое поездом по рассматриваемому подъему при снижении скорости до расчетной, меньше чем длина подъема, то массу состава следует уменьшить. Например, массу уменьшают на 100 т и повторяют расчеты. Эту процедуру следует повторять, пока рассматриваемый поезд не пройдет весь подъем со скоростью не ниже расчетной.
После расчета массы состава по условиям прохождения наиболее трудного на рассматриваемом участке элемента профиля пути необходимо проверить полученную массу на возможность трогания поезда с места и на возможность его установки в пределах приемо-отправочных путей станции.
Проверка массы состава на трогание. При трогании поезда ускоряющая сила должна быть больше нуля. Только в этом случае (см. уравнение движения поезда) ускорение положительно, а следовательно, возможно увеличение скорости движения, т.е. трогание поезда:
, (7)
где 
– сила тяги локомотива при трогании поезда, Н;
– удельное сопротивление троганию локомотива, Н/т;
– удельное сопротивление троганию состава поезда, Н/т;
– уклон элемента профиля пути, на котором происходит трогание поезда, ‰.
Упрощая расчеты, принимаем, что 
.
Тогда 
, (8)
Из (8) следует, что 
, (9)
Таким образом, масса состава Q не должна превышать значение Q тр, определенное по условиям трогания поезда на подъеме с уклоном i тр.
Сопротивление троганию принимают 
для подвижного состава на роликовых подшипниках и 
для подвижного состава на подшипниках скольжения. Здесь q o – средняя осевая нагрузка, т/ось. Если пренебречь сопротивлением троганию локомотива и принять, что все вагоны на роликовых подшипниках, то
где 
– число осей в составе.
Сопротивление троганию поезда можно определять и как средневзвешенное, рассчитав предварительно сопротивление троганию отдельных групп вагонов и локомотива.
Если в голове поезда используют два и более локомотива, то во избежание разрыва поезда при трогании максимальную силу на автосцепке ограничивают величиной 930 кН. При этом
, (10)
Проверка массы состава по длине приемо-отправочных путей. Масса состава, рассчитанная по наиболее трудному элементу продольного профиля пути, прошедшая проверки на прохождение более крутого, чем расчетный, подъема и на трогание поезда, может оказаться, тем не менее, слишком большой для того, чтобы поезд уместился в пределах приемо-отправочных путей. Для проверки следует определить длину поезда:
(11)
где l л – длина локомотива, м;
l с – длина состава, м;
10 – допуск на неточность установки поезда.
Для определения длины состава необходимо определить число вагонов. Число однотипных вагонов можно рассчитать, если известна, например, доля массы данной группы вагонов в общей массе состава,
, (12)
где 
– доля массы i -й группы однотипных вагонов в общей массе состава поезда;
qi – средняя масса вагона (брутто) для i -й группы однотипных вагонов.
Округляя ni до целого и принимая из ПТР длину одного вагона для рассматриваемой группы, определяют длину состава.
Если вычисленная по формуле (12) длина поезда оказывается больше длины приемо-отправочных путей на участках обращения, то массу состава следует уменьшить.
Пример 4. Уместится ли поезд из примера 2 на станционных путях длиной 1050 м?
Решение. Рассчитаем в соответствии с выражением (12) число вагонов:
– четырехосных 
– восьмиосных 
.
Принимая, что все четырехосные вагоны являются полувагонами длиной 14 м, а восьмиосные цистерны длиной 21 м каждая [1], найдем в соответствии с выражением (11) длину поезда, зная, что длина локомотива 2ТЭ116 – 36 м:
.
Очевидно, что поезд уместится на станционных путях длиной 1050 м.
Если поезд следует на достаточно большое расстояние, то вполне вероятна ситуация, при которой расчетные массы для отдельных перегонов, входящих в участок обращения, могут значительно отличаться друг от друга. Менять локомотивы, чтобы провести поезд одной массы по всему участку, далеко не всегда целесообразно. Поэтому устанавливают унифицированную массу состава на целое направление для одной и той же серии локомотивов. Унифицированная масса устанавливается по условиям прохождения наиболее трудного участка. Для оценки возможности увеличения унифицированной массы состава обычно строят тонно-километровую диаграмму. При этом для каждого из перегонов определяют, как это было показано выше, расчетную массу состава и результат представляют графически, как это показано на рисунке 1.
Рисунок 1 – Тонно-километровая диаграмма
По оси абсцисс откладывают перегоны рассматриваемого участка. На каждом из перегонов указывают его длину и величину расчетного подъема, а по оси ординат в масштабе откладывают расчетную массу состава для каждого из перегонов. Из диаграммы видно, что состав массой 3400 т, определенный для второго перегона, может быть проведен выбранным локомотивом по всему участку. Однако по остальным перегонам может быть проведен состав гораздо большей массы. Если, например, на втором перегоне в наиболее трудном для движения поезда месте применить второй локомотив в качестве толкача, то унифицированная масса может быть поднята до 4300 т. Дальнейший анализ тонно-километровой диаграммы и условий движения поезда может подсказать мероприятия, которые позволят поднять унифицированную массу до 4650 т и т.д.
|
|
|
