4.6. Расчет массы состава по погонной массе
В зависимости от рода перевозимого груза грузоподъёмность вагона не всегда используется полностью. Так, самыми тяжёлыми грузами, позволяющими на 100 % использовать грузоподъёмность вагонов, являются каменный уголь, руда, черные металлы. За ними следуют нефть, минерально-строительные материалы, кокс, хлеб, затем лес и далее – автомобили и прочие грузы. Коэффициент использования грузоподъёмности вагонов при перевозке каждого рода груза за определенный период можно взять из отчетности формы ЦО-29.
На основании анализа грузопотоков можно определить погонные массы состава (масса состава, приходящаяся на 1 метр железнодорожного пути) по каждому наименованию груза.
По погонной массе и длине приемоотправочных путей рассчитывается максимально возможная масса состава для каждой номенклатуры грузов по формуле
(4.11)
где
–
наибольшая погонная масса брутто при
перевозке однородного груза в маршруте,
т/м;
lпоп
– полезная длина приемоотправочных
путей станции, м;
50
– длина локомотива с учетом допуска на
установку, м;
mc
– расчетная масса состава, определяемая
по формуле (4.3).
В табл.4.4 приведена масса состава из четырехосных вагонов в зависимости от номенклатуры груза, длины путей и среднесетевой погонной массы маршрутных поездов, рассчитанная по формуле (4.11).
Т а б л и ц а 4.4.
Средняя масса состава из четырехосных вагонов в зависимости от погонной массы для различных видов груза
Наименование грузов |
Погонная масса, т/м |
Длина приемо-отправочных путей |
||
850 |
1050 |
1250 |
||
Руда, уголь, металл |
6.7 |
5300 |
6700 |
8000 |
Нефть, |
7.0 |
5600 |
7000 |
8400 |
Минерально-строительные материалы, кокс, хлеб |
6,3 |
5000 |
6300 |
7500 |
Лес |
3,6 |
2900 |
3600 |
4300 |
Машины, автомобили |
2,1 |
1700 |
2100 |
2500 |
4.7. Особенности расчета для поездов повышенной массы и длины
Классификация. Поезда повышенной массы и длины формируются для повышения пропускной и провозной способности грузонапряженных участков и направлений, а также для сохранения графиковых размеров движения после предоставления “окон” для ремонтно-путевых и строительных работ, ликвидации последствий крушений, аварий, стихийных бедствий. Поезда повышенной массы и длины согласно “Правил технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации” [17] классифицируются следующим образом:
1) поезд грузовой длинносоставный – грузовой поезд, длина которого (в условных вагонах) превышает максимальную норму длины, установленную графиком движения на участке следования этого поезда;
2) поезд грузовой повышенной массы – грузовой поезд массой более 6 тыс. т с одним или несколькими локомотивами в голове состава, в голове и хвосте или в голове и последней трети состава;
3) поезд грузовой повышенной длины – грузовой поезд, длина которого 350 осей и более;
4) поезд грузовой соединенный – поезд, составленный из двух и более сцепленных между собой грузовых поездов, с действующими локомотивами в голове или конце каждого поезда;
5 ) поезд грузовой тяжеловесный – грузовой поезд, масса состава которого для соответствующих серий локомотивов на 100 т и более превышает установленную графиком движения норму на участке следования этого поезда;
6) поезд пассажирский длинносоставный – пассажирский поезд, длина которого превышает установленную схему формирования данного поезда;
7) поезд пассажирский повышенной длины – пассажирский поезд, имеющий в составе 20 и более вагонов;
8) поезд пассажирский соединенный – поезд, составленный из двух пассажирских поездов, сцепленных между собой, с действующими локомотивами в голове каждого поезда.
Наибольший эффект для повышения пропускной способности участка дает использование соединенных поездов.
Схемы формирования соединенных поездов. В середине восьмидесятых годов, на основе тягово-эксплуатационных испытаний на наших дорогах и опыта зарубежных железных дорог, были разработаны и рекомендованы для использования несколько схем формирования соединенных поездов, основные характеристики которых приведены в табл.4.5 [18,19].
Т а б л и ц а 4.5.
Схемы и основные характеристики соединенных поездов железных дорог России
Схема формирования |
Масса соста ва, тыс.т |
Длина состава, в осях |
Руково дящий спуск, ‰ |
Максимальная скорость, км/ч при расстоянии до места уменьшения скорости, м |
|
1200 |
1500 |
||||
ЛСС (ОТМ) |
6 - 8 |
350 - 400 |
10 15 |
80 70 |
90 - |
ЛСС (порожние, ОТМ) |
- |
350 - 520 |
10 15 |
80 70 |
90 - |
ЛССЛ (ОТМ) |
6 - 12 |
400 - 560 |
10 12 |
75 65 |
- - |
ЛССЛС (ОТМ) |
8 - 16 |
540 - 780 |
10 12 |
70 65 |
- - |
ЛСЛС (ОТМ) |
6 - 12 |
400 - 540 |
10 12 |
65 60 |
- - |
ЛСЛС (НТМ) |
до 12 |
до 520 |
12 |
60 |
- |
ЛСЛС (гружёный + порожний, ОТМ) |
6 - 10 |
480 - 680 |
10 12 |
70 65 |
- - |
ЛСЛС (порожние ОТМ) |
- |
480 - 780 |
10 12 |
70 65 |
- - |
П р и м е ч а н и е. Л – локомотив или сцеп локомотивов; С – состав; ОТМ – объединенная тормозная магистраль; НТМ – необъединенная тормозная магистраль; ЛССЛС – схема с постановкой локомотивов в голове и последней трети состава; ЛСЛС – схема с постановкой локомотивов в голове и середине состава.
Вождение соединенных поездов на участках с руководящими спусками больше указанных в табл.4.5 допускается с разрешения МПС на основании положительных результатов опытных поездок на конкретном участке.
Движение соединенных груженых поездов разрешается при температуре не ниже минус 30 , а порожних - не ниже минус 40 .
На участках обращения соединенных поездов на затяжных спусках более 8 ‰ не должно быть ограничений скорости 25 км/ч и ниже.
Организация движения соединенных поездов должна осуществляться после выполнения тяговых расчетов, проведения опытных поездок с динамометрическим вагоном, разработки местных инструкций, утверждённых начальником дороги, их изучения и практического освоения работниками, разработки и утверждения начальником отделения дороги режимных карт вождения поездов.
Максимально допускаемые скорости движения для поездов повышенной массы и длины устанавливаются в соответствии с действующими инструкциями по сигнализации [20] и эксплуатации тормозов [21]. Они приведены в табл.4.5.
Впервые в практике отечественных железных дорог вождение соединенных поездов было реализовано на Московской железной дороге [22]. На ней было организовано регулярное движение поездов массой 8 тыс. т (400 осей), сформированных по схеме Л-С-С с объединенной тормозной магистралью и 10 тыс. т (520 осей) – по схеме Л-С-С-Л (ОТМ), двухсекционными электровозами ВЛ10 (рис.4.2, а).
На Целинной ж.д. на участке Экибастуз – Тобол, протяженностью около 1000 км, обращались угольные составы массой 16 тыс. т, сформированные по схеме Л-С-С-Л-С (ОТМ), которые обслуживались трехсекционными электровозами серии ВЛ80С (рис.4.2, б). На участке Беркакит-Тында-Сковородино БАМ ж.д., протяженностью 430 км, было организовано движение сдвоенных поездов массой 10 тыс. т, сформированных по схеме Л-С-Л-С (ОТМ) тепловозами 4ТЭ10С и 3ТЭ10М (рис.4.2, в) [23].
На Северо-Кавказской железной дороге была хорошо отработана схема Л-С-С-Л-С (ОТМ) вождения поезда массой 13 тыс. т. Этот поезд проходил около 1600 км без смены локомотива от ст.Гудермес Северо-Кавказ-ской ж.д. через Приволжскую и Западно-Казахстанскую дорогу до ст.Орск Южно-Уральской ж.д. Каждый тепловоз имел при себе цистерну с дизельным топливом, дополнительный запас песка и вагон для отдыха локомотивных бригад. Благодаря такой технологии поезд находился в пути 36 часов вместо 6 суток.
В феврале 1986 года железнодорожники Целинной дороги совместно с учеными МИИТ и ВНИИЖТ провели поезд с рекордной для нашей страны массой 43467 т, состоящий из 1756 осей, длиной 6450 м на расстояние 300 км (рис.4.2, б).
В зарубежной практике большой опыт эксплуатации соединенных поездов накоплен на железных дорогах США, Канады и Австралии [24].
В США из 283 тыс. км общей протяженности железнодорожных линий на 90 тыс. км следуют грузовые поезда массой свыше 6 тыс.т. Такого большого полигона тяжеловесного движения не имеет ни одна другая зарубежная страна.
Следует учесть, что все грузовое движение США обслуживается тепловозной тягой [25] (табл.4.6), позволяющей широко использовать кратность тяги без учета опасности перегрузки устройств энергоснабжения.
В зависимости от массы состава и профиля пути локомотивы в одиночку и группами распределяются по всему составу и дистанционно управляются с головного локомотива. Дистанционное управление локомотивами позволяет оптимизировать продольные динамические усилия по всей длине поезда.
Т а б л и ц а 4.6.
Основные технические характеристики некоторых магистральных тепловозов США фирмы “General Electric”
Параметры |
Тепловоз |
|||
C36-7 |
B36-7 |
DASH8-39C |
DASH8-39B |
|
Мощность по дизелю, кВт (л.с.) |
2650 (3600) |
2650 (3600) |
2868 (3900) |
2868 (3900) |
Осевая формула |
3о – 3о |
2о – 2о |
3о – 3о |
2о – 2о |
Масса тепловоза, т |
166 |
117,8 |
166 |
124 |
Нагрузка от колесной пары на рельс, кН (т) |
271,5 (27,7) |
288,9 (29,5) |
304,4 (31) |
320,6 (32,7) |
Длина по осям автосцепки, мм |
20500 |
18644 |
21539 |
20731 |
Сила тяги длительного режима, кН |
430,7 |
260,5 |
475 |
303 |
Скорость длительного режима, км/ч |
17,7 |
29,3 |
18 |
29 |
Конструкционная скорость, км/ч |
112,6 |
112,6 |
112,6 |
112,6 |
Более того, на пересеченной местности машинисту предоставляется возможность применять режим тяги для головной части поезда и торможение для ведомых локомотивов или наоборот.
На большинстве дорог США, как правило, ведомые локомотивы размещаются в последней трети состава создавая таким образом им возможность использовать 75 % мощности на толкание и 25 % – на тягу. Кроме того, такое расположение позволяет облегчить зарядку тормозной магистрали поезда от двух локомотивов. Это очень важно для хвостовой части поезда, в которой можно быстрее повысить давление, что особенно ценно зимой. В табл. 4.7 приведены данные о количестве тяжеловесных составов, формируемых ежесуточно на некоторых дорогах США [24].
Т а б л и ц а 4.7. |
||
Дорога |
Число поездов |
Средняя дальность, км |
Берлингтон Нортен |
36 (6) |
1467 (996) |
Конрейл |
16 (7) |
610 (1060) |
Фриско |
5 (3) |
585 (1204) |
Юнион Пасифик |
12 (3) |
1075 (816) |
Примечание. В числителе – поезда с углем, в знаменателе – с другими грузами. |
||
Тяжеловесные поезда формируются преимущественно из четырехосных вагонов большой грузоподъемности (80-100 т). Одним из обязательных условий организации движения таких поездов – наличие у грузоотправителей и грузополучателей автоматизированных или высокомеханизированных погрузочно-разгрузочных комплексов. Погрузка угля и руды осуществляется посредством размещенных над путями автоматизированных бункерных емкостей, позволяющих сразу загружать 4-6 вагонов на ходу (без отцепки от состава) и одновременно фиксировать массу каждого вагона (с грузом и без). Подготовка состава из 150 вагонов (вместе с техническим осмотром) занимает 3-4 часа. Аналогично организована разгрузка, которая осуществляется или с помощью роторных вагоноопрокидывателей (для полувагонов) или на выгрузочных эстакадах (для хопперов). На выгрузку одного вагона тратится одна минута.
Грузовые поезда массой 10-13 тыс.т в постоянном обращении появились в США более 35 лет назад на двух-трех угле- и рудовозных дорогах. Массовый интерес к ним возник после появления систем дистанционного управления локомотивами (например, такой как “Локотрол”), размещенными в составе (через одну треть, в середине, через две трети, в хвосте). Затем стали появляться супертяжеловесные поезда массой 32,8 тыс.т (длина 2,88 км, 361 вагон, 8 тепловозов по 3 тыс. л.с: 3 – в голове с 218 вагонами и 5 – во второй части поезда). Рекордная масса 44 тыс.т была сформирована в 1969 году. Однако подобная “рекордная” масса перемещалась только на 150-250 км, главным образом в исследовательских целях, для изучения возможностей локомотивов, вагонов, пути, а также эксплуатационного персонала и машинистов в организации их движения.
В настоящее время на дорогах США в основном регулярно обращаются поезда массой 7, 10, 11, 12 и 13 тыс.т.
Определение массы состава по условиям прочности и устойчивости подвижного состава при кратной тяге и подталкивании. Поезд, состоящий из локомотивов и большого числа вагонов, представляет собой сложную механическую систему, в которой протекают не менее сложные динамические процессы, обусловленные изменением силы тяги локомотивов, профилем пути и торможением [26-28]. Продольные силы, возникающие в поезде, являются определяющими при установлении допустимой массы состава, его длины, выбора расположения локомотивов и способов управления автотормозами и режимом тяги.
Продольные силы, действующие на вагоны, оцениваются для трех основных режимов эксплуатации:
режим I – трогание с места, осаживание или экстренное торможение поезда при малых скоростях, соударение при маневровой работе;
режим II – движение пассажирских вагонов в составе грузового поезда на расчетном подъеме;
режим III – регулировочное торможение при движении поезда с наибольшей допускаемой скоростью.
Значения допустимых продольных сил, принимаемых в расчетах вагонов на прочность, приведены в табл.4.8 [29].
Т а б л и ц а 4.8 |
||
Вагон |
Режим эксплуатации |
Продольная сила, кН |
Пассажирский |
I II III |
–2450 +1470 ±980 |
Грузовой |
I III |
±2450 ±980 |
Примечание. Знак “+” – растяжение; “–” – сжатие. |
||
В табл.4.8 приведены значения динамических продольных сил, продолжительность действия которых не превышает 2 с (режим I). Силы, действующие более 2 с, называются квазистатическими. Квазистатические продольные усилия возникают обычно при продолжительном торможении поезда только головными локомотивами на затяжных спусках, когда используют электрическое торможение или вспомогательный тормоз локомотива. Длительно действующие квазистатические продольные силы являются опасными по условиям устойчивости вагонов от выжимания, а динамические усилия – по прочности подвижного состава.
При трогании с места сжатого состава из-за наличия зазоров в междувагонных соединениях продольные усилия в поезде могут значительно превосходить приложенную локомотивом силу тяги. Отношение наибольшего продольного усилия, возникающего между вагонами в составе, к наибольшей силе тяги локомотива называется коэффициентом продольной динамики кдп. Коэффициент кдп имеет различные значения в зависимости от режима движения поезда. Наибольшего значение он имеет при трогании с места или экстренном торможении. Для этого режима применительно к однородному поезду большой массы принимают кдп = 1,6 [30,31].
При движении по затяжному подъему (режим II) коэффициент продольной динамики равен кдп = 1,0, а при переломном профиле коэффициент кдп принимает промежуточные значения от 1,0 до 1,6.
В настоящее время для предупреждения разрыва поезда при трогании с места разрешается сила тяги головных локомотивов не более 932 кН, что соответствует динамическому продольному усилию в составе около 1492 кН (кдп = 1,6), хотя норма из табл.4.8 допускает 2450 кН. Такое ограничение наложено в связи с недостаточной прочностью автосцепок эксплуатируемого подвижного состава.
При движении поезда на расчетном подъеме сила тяги также определяется из условия, что в составе не должно возникать усилие более 1490 кН. В этом случае процесс протекает плавнее, так как состав полностью растянут и сила тяги постоянна. Учитывая, однако, что на расчетном подъеме возможны переломы профиля пути, от которых возникают дополнительные продольные усилия в составе, допустимую продольную силу тяги головных локомотивов принимают не более 1275 кН (кдп = 1,17).
Суммарная касательная сила тяги в голове поезда должна удовлетворять следующим условиям:
при трогании поезда на подъеме до скорости 10 км/ч
Fктр
932000
+
mл
g(wтр
+ iтр);
(4.12)
при разгоне и движении по труднейшим подъёмам
Fк
1275000
+
mл
g(
+ iр),
(4.13)
где S
mл
– суммарная масса локомотивов в голове
поезда, т;
wтр
– удельное сопротивление при трогании
с места, рассчитывается по формуле
(3.27), Н/кН;
–
основное удельное сопротивление движению
локомотивов, рассчитывается по формуле
(3.1) или (3.3), Н/кН;
iтр
и iр
подъёмы с учетом дополнительного
сопротивления от кривых, ‰.
Для обеспечения устойчивости вагонов от выжимания при подталкивании или при электрическом торможении локомотивами, находящимися в голове поезда, наибольшие значения сил тяги подталкивающих локомотивов или сил электрического торможения локомотивов на линиях с кривыми радиусом не менее 300 м определяются исходя из максимально допустимых продольных сжимающих сил, зависящих от типа и степени загрузки вагонов, указанных в табл. 4.9.
Т а б л и ц а 4.9.
Наибольшие допустимые сжимающие усилия в поезде, Н по условию устойчивости вагонов от выжимания на линиях с кривыми радиусом не менее 300 м
Число осей вагона |
Масса mo, приходящаяся на ось наименее нагруженного вагона, т |
|
mo 12 |
mo > 12 |
|
4 |
490500 |
981000 |
6 и 8 |
981000 |
2452500 |
Для линий с кривыми радиусом менее 300 м допускаемые продольные усилия устанавливаются по местным условиям.
Максимальное число секций локомотивов, которое можно поставить в голове поезда, чтобы не нарушались условия, описанные формулами (4.12) и (4.13), приведено в табл.4.10.
Т а б л и ц а 4.10.
Предельное число секций локомотива в голове поезда
Локомотив |
Осевая формула |
Нагрузка от оси на рельс, кН |
, Н/кН |
При движении на подъеме iр, ‰ |
|||||
0 |
6 |
10 |
15 |
20 |
30 |
||||
2М62 |
2(3о – 3о) |
196 |
2,220 |
6 |
6 |
7 |
7 |
7 |
8 |
2ТЭ10Л |
2(3о – 3о) |
213 |
2,298 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
6 |
2ТЭ10В (М) |
2(3о – 3о) |
226 |
2,298 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
6 |
3ТЭ10М |
2(3о – 3о) |
226 |
2,298 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
6 |
2ТЭ116 |
2(3о – 3о) |
226 |
2,318 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
6 |
2ТЭ121 |
2(3о – 3о) |
245 |
2,386 |
4 |
4 |
4 |
4 |
4 |
5 |
ТГ16 |
2(2 – 2) |
169 |
2,112 |
8 |
8 |
8 |
8 |
9 |
9 |
ТГ21 |
2(2 – 2) |
216 |
2,237 |
6 |
6 |
6 |
7 |
7 |
7 |
ТЭМ7 |
2о + 2о - 2о + 2о |
221 |
2,035 |
3 |
3 |
4 |
4 |
4 |
4 |
ВЛ10(11) |
2о - 2о - 2о - 2о |
226 |
3,021 |
5 |
5 |
6 |
6 |
6 |
6 |
ВЛ10У |
2о - 2о - 2о - 2о |
245 |
2,987 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
6 |
ВЛ15 |
2(2о - 2о - 2о) |
233 |
2,958 |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
ВЛ80С |
2(2о – 2о) |
235 |
2,903 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
6 |
ВЛ82М |
2(2о – 2о) |
245 |
3,170 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
6 |
ВЛ85 |
2(2о – 2о –2о) |
235 |
3,150 |
3 |
3 |
3 |
3 |
4 |
4 |
ВЛ60ПК |
3о – 3о |
226 |
4,256 |
5 |
6 |
6 |
6 |
6 |
7 |
ВЛ65 |
2о – 2о – 2о |
226 |
3,967 |
5 |
5 |
5 |
5 |
6 |
6 |
В табл. 4.11 приведены значения массы составов грузовых поездов с учетом максимального количества секций локомотивов в голове поезда.
Т а б л и ц а 4.11.
Масса состава грузовых поездов mc, сформированного из четырехосных вагонов с массой на ось 17,5 т, при предельном числе секций в голове поезда
Локомотив |
Число секций |
Масса составов mc в тоннах на подъемах, ‰ |
||||||
4 |
6 |
10 |
12 |
15 |
20 |
30 |
||
2М62 |
6 |
22850 |
16150 |
10050 |
8400 |
6700 |
4900 |
3100 |
2ТЭ10В (М) |
5 |
24000 |
17000 |
10600 |
8900 |
7100 |
5250 |
3350 |
3ТЭ10М |
5 |
24000 |
17000 |
10600 |
8900 |
7100 |
5250 |
3350 |
6 |
28800 |
20400 |
12850 |
10650 |
8500 |
6300 |
4000 |
|
2ТЭ116 |
4 |
19150 |
13600 |
8300 |
7100 |
5650 |
4200 |
2650 |
2ТЭ121 |
4 |
22628 |
16111 |
9971 |
8474 |
6786 |
5038 |
3227 |
ТГ16 |
8 |
24750 |
17500 |
10800 |
9150 |
7300 |
5450 |
3400 |
ТГ21 |
6 |
23100 |
16400 |
10050 |
8600 |
6900 |
5100 |
3300 |
ТЭМ7 |
3 |
20550 |
14450 |
8750 |
7550 |
6000 |
4400 |
2800 |
4 |
27400 |
19300 |
11950 |
10000 |
8000 |
5900 |
3750 |
|
ВЛ10(11) |
5 |
20400 |
14850 |
9200 |
8000 |
6450 |
4850 |
3150 |
6 |
24500 |
17800 |
11200 |
9600 |
7750 |
5800 |
3800 |
|
ВЛ10У |
5 |
22400 |
16250 |
10100 |
8750 |
7050 |
5350 |
3450 |
6 |
26900 |
19500 |
12300 |
10500 |
8500 |
6350 |
4150 |
|
ВЛ15 |
3 |
20300 |
14700 |
9050 |
7900 |
6400 |
4800 |
3100 |
ВЛ80С |
5 |
23100 |
16700 |
10400 |
9000 |
7250 |
5450 |
3550 |
ВЛ82М |
4 |
17450 |
12700 |
7750 |
6850 |
5550 |
4150 |
2700 |
ВЛ85 |
3 |
19000 |
13800 |
8550 |
7500 |
6050 |
4550 |
2950 |
ВЛ60ПК |
5 |
17750 |
13150 |
8550 |
7250 |
5850 |
4350 |
2800 |
6 |
21300 |
15800 |
10400 |
8700 |
7000 |
5250 |
3350 |
|
ВЛ65 |
5 |
20150 |
14850 |
9600 |
8150 |
6600 |
4900 |
3150 |
6 |
24150 |
17850 |
11700 |
9800 |
7900 |
5900 |
3800 |
|