1.7 Физическая модель поезда

Движение поезда – это сложный механический процесс, на ход которого влияет множество физических факторов, которые заранее рассчитать трудно или даже невозможно. К таким факторам относятся: изменение погоды, особенности груза, квалификация машиниста, техническое состояние пути и подвижного состава и т.д. Поэтому в тяговых расчетах невозможно обойтись без ряда упрощений, которые позволяют сложные в действительности процессы выразить в виде достаточно простых для практических расчетов схем и зависимостей.

В тяговых расчетах основные упрощения заключаются в том, что движение поезда рассматривается как движение единого целого вдоль пути. При этом пренебрегают колебаниями подвижного состава в вертикальном и поперечном направлениях, изменениями расстояния между вагонами и т.д. Эти упрощения позволяют рассматривать движение поезда как поступательное движение твердого тела вдоль пути с одной степенью свободы. Тогда физическая модель поезда может быть представлена как МАТЕРИАЛЬНАЯ ТОЧКА, в которой сосредоточена масса всего поезда и к которой приложена равнодействующая всех сил поезда. Расположение центра тяжести поезда принято в середине длины поезда.

Из теоретической механики известно, что движение материальной точки с одной степенью свободы описывается дифференциальным уравнением первого порядка.

Определим его.

2 Математическая модель процесса движения поезда

2.1 Основное уравнение движения поезда

Рассмотрим режим тяги, в котором сила тяги F_к преодолевает силу сопротивления движению W_к и силу инерции F_и:

F_к = W_к + F_и . (2.1)

С учетом (1.1) и (1.62) из (2.1) получаем:

, (2.2)

где F – равнодействующая сила поезда.

Уравнение (2.2) – это основное уравнение движения поезда (1-я форма записи).

Умножим правую часть уравнения (2.2) на и получим 2-ю форму записи основного уравнения движения поезда:

. (2.3)

Если уравнения (2.2) и (2.3) разделить на m·g, считать 1,06, а за размерность используемых в этих уравнениях физических величин принять: для пути s – километры, для времени t – часы, для скорости v – км/ч (тогда ξ = 127), то в удельных силах получим окончательное выражение основного уравнения движения поезда:

, (2.4)

, (2.5)

где f – удельная равнодействующая сила поезда, Н/кН.

Очевидно, , км/ч² – это ускорение поезда.

Таким образом, физический смысл основного уравнения движения поезда (2.4) заключается в том, что это уравнение устанавливает однозначное соотношение между ускорением поезда и его удельной равнодействующей силой – а = 120∙ f. Это говорит о том, что на каждую единицу удельной равнодействующей силы скорость поезда увеличивается (если f = + 1 Н/кН) или уменьшается (если f = -1 Н/кН) на 120 км/ч за один час (или на 2 км/ч за одну минуту, или на 0,033 км/ч за одну секунду). В каждом конкретном случае, т.е. при движении поезда с заданной скоростью v_i на заданном профиле пути w_i, ускорение поезда легко может быть определено из диаграммы удельных равнодействующих сил поезда – рисунок 2.1.

Рисунок 2.1 – Диаграмма удельных равнодействующих сил поезда

Например, при движении поезда со скоростью 60 км/ч:

– в тяге на подъеме 6‰ поезд движется с замедлением 4 км/ч в минуту;

– на выбеге на спуске 4‰ поезд движется с ускорением 2 км/ч в минуту;

– при торможении на спуске 4‰ поезд движется с замедлением 8 км/ч в минуту.

Итак, если f > 0 – имеет место движение поезда с ускорением;

f < 0 – имеет место движение поезда с замедлением;

f = 0 – имеет место движение поезда с равномерной скоростью.

В связи со спецификой работы железнодорожного транспорта при решении основного уравнения движения поезда за независимую переменную принимают путь s. Тогда графическое решение уравнений (2.4) и (2.5) имеет вид зависимостей v(s) и t(s), которые принято называть «кривыми движения поезда» – рисунок 2.2.

Рисунок 2.2 – Зависимости скорости движения и времени от пути

Примечание. Согласно теории автоматического управления (ТАУ) устройство любой физической природы, переходный процесс в котором описывается дифференциальным уравнением вида , является интегральным динамическим звеном с передаточной функцией , где k – коэффициент передачи звена:

Таким образом, как следует из уравнения (2.4), поезд является интегральным динамическим звеном с коэффициентом передачи k_п = 120 и с постоянной времени с.

Для сравнения: постоянная времени электрических переходных процессов в силовой цепи тяговых двигателей равна с, т. е. на три порядка меньше, чем постоянная времени движения поезда.