Изыскания и проектирование железных дорог 2010

где P – масса локомотива, т; Q- масса состава, т. Силы торможения:

Силы сопротивления движению:

Удельная составляющая веса:

В зависимости от того, какие управляемые силы действуют на поезд, различают 3 режима движения поезда.

1.Режим тяги. На поезд действуют силы F, W, I. Равнодействующая сил приложенных к поезду, R=F-W ± I .

2.Режим торможения. На поезд действуют силы B, W, I. Равнодействующая сил R=-В-W ± I .

3.Режим холостого хода. На поезд действуют силы W, I. Равнодействующая сил R=-W ± I . При определении равнодействующей сила I принимается на спусках со знаком плюс, на подъемах со знаком минус. Кроме полных сил, рассматривают удельные равнодействующие силы в режимах:

тяги r=f - w ± i;

торможения r= - b -w ± i; холостого хода r= -w ± i.

Характер движения поезда зависит от знака равнодействующей. Если

равнодействующая положительна R>0, движение поезда ускоренное, при R<0

– замедленное; при R=0 поезд движется равномерно.

6.2 Сила тяги локомотива

Сила тяги создается локомотивом. Рассмотрим процесс образования силы тяги локомотива. Около каждой оси любого локомотива установлен электрический тяговый двигатель, вал которого находится в зубчатом зацеплении с осью локомотива. На валу двигателя возникает вращающий момент М1, который с помощью зубчатых колес создает на оси колесной пары локомотива движущий момент М2 (рис 6.2) [6].

Заменим момент М2 парой сил F1 и F2. Сила F2 приложена от колеса к рельсу к точке 0. На основании третьего закона механики в точке 0 возникает сила F/к, приложенная от рельса к колесу и направлена в сторону движения. Сила F/к является силой тяги одной оси локомотива.

51

Рисунок 6.2 - Схема образования силы тяги локомотива

Сила тяги локомотива Fк равна произведению числа его осей m на силу тяги одной оси, т.е. Fк= F/кm.

Сила тяги Fк называется касательной силой тяги и зависит от скорости Fк= f(υ). Эта зависимость устанавливается опытным путем. Сила тяги Fк не должна превышать силы сцепления колес локомотива с рельсами Fк(сц).

Сила сцепления колес одной оси с рельсами F/к(сц) равна произведению силы нормального давления одной оси р на коэффициент сцепления ψк, т.е. F/к(сц) = р ψк. Это равенство тождественно закону трения Кулона, а коэффициент сцепления по своей природе аналогичен коэффициенту трения.

Сила сцепления всех колес локомотива с рельсами Fк(сц)= m F/к(сц)=mрψк.

Произведение mр равно массе локомотива Р, в данном случае вес -G, поэтому

где ψк - коэффициент сцепления, в зависимости от скорости определяется:

Конкретное значение коэффициентов a, b, c и d зависит от типа локомотива. Формулы для определения ψк приведены ПТР. Сила тяги локомотива должна быть ограничена значением Fк(сц), определяемым по формуле (6.5), иначе возникает буксование (вращение колес на месте).

График зависимости силы тяги локомотива от скорости называется тяговой характеристикой. В качестве примера на рис. 6.3 даны тяговые

52

характеристики электровозов постоянного и переменного тока и тепловоза. На тяговых характеристиках показаны зависимости Fк= f(υ), и ограниченная по сцеплению Fк(сц)= φ(υ). Тяговая характеристика – основной документ, определяющий зависимость силы тяги локомотива от скорости.

Рисунок 6.3 - Тяговые характеристики электровозов ВЛ10 (а), ВЛ80р (б) и тепловоза 2ТЭ116 (в)

6.3 Силы сопротивления движению поезда

Силы сопротивления движению поезда складываются из основных и дополнительных сил [6].

Косновным силам сопротивления движению отнесены:

-сопротивление движению локомотива;

-сопротивление движению вагонного состава;

-сопротивление движению при трогании с места. Дополнительное сопротивление движению будет складываться из:

-сопротивление движению от уклона (продольная составляющая веса поезда);

-сопротивление движению в кривых.

Основное удельное сопротивление движению локомотива :

в режиме тяги

в режиме холостого хода

где - а0. а1. a2. b0. b1. b2 – коэффициенты, зависящие от конструкции пути. - V, км/ч – скорость движения локомотива.

Основное удельное сопротивление движению вагонов :

Основное удельное сопротивление движению порожних 4- и 6-осных вагонов:

Основное удельное сопротивление движению грузовых 4- и 6-осных вагонов, если масса приходящаяся на ось q0 › 6т, грузовых 8-осных и пассажирских вагонов:

где - а,b,c,d –коэффициенты, зависящие от типа вагонов, типа подшипников, конструкции пути - рекомендуются ПТР.

Средневзвешенное основное удельное сопротивление движению поезда в режиме тяги:

Средневзвешенное основное удельное сопротивление движению поезда в режиме холостого хода:

Удельное сопротивление движению состава при трогании с места:

где а – коэффициент, учитывающий тип подшипников.

Для вагонного состава с подшипниками скольжения а = 142. Для вагонного состава с подшипниками качения а = 28.

При вагонном составе с различными типами подшипников значение а рассчитывается.

Сопротивление движению от уклона (продольная составляющая веса поезда)

Рассмотрим поезд, движущий по наклонному участку (рис.6.4). Разложим вес поезда G по правилу параллелограмма на две составляющие: перпендикулярную к оси пути N и продольную оси пути I. Продольная составляющая веса поезда I препятствует движению поезда на подъем и способствует – на спуск.

54

Рисунок 6.4 - К определению составляющей веса поезда I

Как следует из рис. 6.4 величина I = G sin α.

Поскольку угол α мал, sin α можно заменить tg α, тогда I = G tg α, но

tg α = h/l. Поэтому I = G h/l. Отношение h/l называется уклоном и обозначается через i, т.е. i = h/l. С учетом последнего I = G i.

Поскольку вес состава G в тоннах сил численно равен массе состава (P + Q) в тоннах, то i = I/ (P + Q) g, т.е. (6.4).

Следовательно, удельная продольная составляющая веса поезда I численно равна уклону.

Слагаемые силы тяжести препятствуют движению поезда на подъем, поэтому ее называют также сопротивлением от уклона и обозначают wi;

Это название не соответствует своему существу при движении поезда на спуск. Поэтому правильнее силу I называть так, как это принято в механике, - продольной составляющей веса поезда.

Сопротивление движению в кривых:

При Sкр ≥ Lп

где R – радиус кривой, м;

Sкр – длина кривой, м; Lп – длина поезда, м.

При Sкр < Lп

определим, что Sкр = ΠRα/1800, тогда

55

где α – угол поворота кривой.

Суммарное (общее) сопротивление движению:

Wк = W0 + Wi + Wr = (w0 + wi + wr) (P + Q) g = wk (P + Q) g. (6.19)

6.4 Тормозная сила поезда

Для уменьшения скорости движения, полной остановки поезда или поддержания заданной скорости на затяжных спусках применяют тормозные устройства.

Торможение может, осуществляется за счет прижатия тормозных колодок к бандажам колес вагонов или путем перевода тяговых электродвигателей электровозов и тепловозов в генераторный режим, в результате чего на валу двигателя возникает тормозной момент. Электрическая энергия, вырабатываемая двигателем, возвращается в контактную сеть (при электрической тяге – рекуперативное торможение) или гасится в резисторах локомотива (при электрической и тепловозной тяге – резисторное торможение).

Сила торможения не должна превышать силу сцепления колес с рельсами, иначе наступит крайне нежелательное явление, когда колеса, перестав вращаться, скользят по рельсам. Чтобы избежать опасности заклинивания осей порожних вагонов применяют так называемый порожний режим торможения, при котором соответствующим образом регулируется сила нажатия тормозных колодок на ось.

Тормозная сила поездаВT , как и сила тяги, приложена к точке касания колеса и рельса, но направлена в сторону противоположную движению [5].

Различают 2 вида торможения:

1.Электрическое – тяговыми электродвигателями.

2.Механическое.

Тормозная сила при механическом торможении:

где ∑K p - сумма расчетных сил нажатия на тормозные оси состава, кН; ϕkp - расчетный коэффициент трения тормозных колодок о колесо.

При чугунных колодках:

где v – скорость поезда, км/ч

При компазиционных колодках:

56

6.5 Расчет массы и длины состава

Масса состава Q определяется исходя из условий полного использования мощности локомотива и накопленной поездом кинетической энергии.

При движении поезда его скорость и кинетическая энергия постоянно изменяются в зависимости от профиля пути. Исключения составляют протяжные подъемы, на которых скорость поезда спустя некоторое время после входа на подъем становится постоянной [5].

Для того чтобы определить массу состава при заданном локомотиве, необходимо проанализировать продольный профиль участка проектируемой или существующей железной дороги и выделить участки, где поезд идет с неравномерной скоростью, и подъемы, где скорость поезда становится постоянной.

Различают два случая расчета массы состава: когда труднейшим (расчетным) оказался затяжной подъем, на котором скорость поезда, постоянно уменьшаясь, становится постоянной; когда труднейшим оказался сравнительно короткий подъем, на котором скорость поезда, продолжая снижаться, не успевает выйти на постоянный уровень.

Методы расчета массы состава в этих случаях различные, но объединяет их одно условие – наименьшая скорость движения не должна быть меньше расчетной скорости, установленной для данного локомотива.

Масса поезда М равна сумме масс локомотива Р и состава Q, т.е.М = Р + Q. Массы локомотивов приведены в ПТР. Масса состава определяется из условия движения поезда по прямой на подъеме с руководящим уклоном iр с постоянной расчетной скоростью υр при расчетной силе тяги Fк(р). на поезд действует в сторону движения сила тяги Fк(р), в сторону, противоположную движению, - сила основного сопротивления W0 и слагаемая сила тяжести I. Поскольку скорость движения поезда постоянна, то ускорение равно нулю и по второму закону Ньютона равнодействующая R = Fk – W0 – I равна нулю [6]. Отсюда

Масса состава (т) определяется по формуле:

57

Масса состава – с грузами называется массой брутто, а масса груза в вагонах – массой нетто Qн.

Масса нетто

Число вагонов i–й категории

Длина поезда Lп равна сумме длин локомотива Lл и состава Lс, т.е.

Отношение массы брутто состава к длине состава называется погонной нагрузкой.

58

7 Размещения и выбор водопропускных сооружений

Земная поверхность покрыта системой русл. По одним руслам вода течет постоянно - постоянные водотоки, по другим – периодические во время выпадения дождей или таяния снегов – периодические [4].

При укладке трассы дороги неизбежно приходит пересечение русла водотоков; это нарушает естественный режим протекания воды, так как на пути водотоков возникают препятствия в виде насыпей и выемок. Для сохранения земляного полотна от размыва воду, притекающую к насыпям, пропускают под ними с помощью мостов, труб и других водопропускных сооружении. Вода, притекающая с верховой стороны к выемкам, перехватывается нагорными канавами и отводится вдоль земляного полотна в ближайшее русло.

Задача поперечного водоотвода состоит в определении мест размещения водопропускных сооружении, расходов воды, притекающей к сооружениям, типов и отверстии водопропускных сооружении. Водопропускные сооружения должны располагаться во всех пониженных местах рельефа, которые пересекает дорога.

Выбирают места устройства водопропускных сооружении на профиле (Рис. 7.1): выявляют все пониженные места, в которые они должны быть размещены. Затем определяют расходы воды, которые должны быть пропущены этими сооружениями. Методы расчета расходов временных и постоянных водотоков существенно отличаются: в постоянном водотоке расход может быть определен непосредственно, а в периодическом его приходится определять косвенным образом. Но и в том, и в другом случае расход водотока

– случайная величина, измеряющаяся в широком диапазоне и зависящая от большого числа физико-географических факторов.

При определении расчетного расхода водотока, по которому определяются размеры сооружений, должна быть уверенность в том, что расходы больше расчетного, нарушающие нормальный режим работы сооружения, могут появляться очень редко, т.е. с весьма малой вероятностью. Эта вероятность называется вероятностью превышения данного расхода. Вероятность превышения данного расхода – это вероятность появления какого-либо расхода больше расчетного.

Рассчитывают водопропускные сооружения и определяют максимальные отметки насыпей по их осям по двум вероятностям превышения, соответственно определяют и два значения расхода – расчетный и наибольший.

СНиП предусматривает следующие вероятности превышения расходов: расчетного: Р=1 % - для линии I и II категории; Р=2 % - III и IV; наибольшего: Р=0,3 % - для линии I и II категории; Р=1 % - III и IV.

Наибольший расход превышает расчетный; Вероятность появления наибольшего расхода меньше, чем расчетного.

Для обеспечения безопасности и бесперебойности движения поездов земляное полотно дороги (насыпи по осям труб, пойменные насыпи на

59

подходах к мостам) проектируется на наибольшие расходы с меньшей вероятностью превышения с тем, чтобы при самых неблагоприятных условиях земляное полотно не было размыто.

Отверстие водопропускных сооружении и отметки проектной линии на мостах определяются исходя из расчетных (меньших) расходов с большой вероятностью появления. Предполагается, что в случае превышения принятых расчетных расходов объем воды, аккумулируемой у входного отверстия трубы, несколько превысит расчетный и труба будет работать в напорном режиме, а на судоходных реках будет временно прекращено продвижение водного транспорта.

Рисунок 7.1 - Понижение места профиля 1 – 6

7.1 Расчеты расходов периодических водотоков

Сток - стекание атмосферных осадков по поверхности земли. Различают ливневый и снеговой стоки. Ливневый сток образуется при выпадении дождей, снеговой - при выпадении снега. Время от момента начала до окончания стока в месте расположения водопропускного сооружения называется временем водоотдачи tB. [5].

Задача расчета стока состоит в определении объема и расхода стока. Объем стока W – количество воды, притекающие к месту расположения водопропускного сооружения за время водоотдачи tB. Расход стока Q- количество воды, притекающие к месту расположения водопропускного сооружения в единицу времени. Для определения W и Q надо знать площадь, с которой происходит сток.

Ограниченная часть земной поверхности, с которой происходит сток к водопропускному сооружению называется водосбором или бассейном (рис. 7.2). Верхней границей водосбора является главный водораздел ДАВСЕ, нижней - отрезок трассы MN, который называют замыкающим створом. Для построения боковых границ водосбора на профиле определяют водораздельные точки а и с и переносят их на план. Для построения левой боковой границы водосбора а – А на плане из точки а проводят в верховую сторону прямую по кратчайшему направлению между точкой а и ближайшей горизонталей (горизонталь с отметкой 100) до пересечения а1, далее из точки а1 проводят

60