РЕЖИМЫ ПОЕЗДНОЙ РАБОТЫ
Состояние поездной работы в каждый момент времени характеризуется режимом, который определяет значения размеров движения поездов на участках, передачи поездов и вагонов по стыковым пунктам между дорогами, объем переработки вагонов на станциях, обеспечение погрузки и выгрузки, распределение и наличие вагонного парка, оборот вагона, производительность локомотивов, называемых параметрами режима. Задачи, решаемые диспетчерским персоналом в каждый момент времени, и его действия должны различаться в зависимости от режима поездной работы.
Нормальный режим поездной работы (рис. 17.8, область 1) характеризуется значениями параметров, соответствующих показателям сменно-суточного плана, которые задаются на уровне месячного технического плана. Иначе говоря, при нормальном режиме, в котором выполняется поездная работа наибольшее время выполняются показатели графика движения, нормативы технологического процесса работы станций, действуют нормальные направления вагоно- потоков, отрабатываются объемы грузовой работы, обеспечивается своевременная постановка локомотивов в ремонт и их техническое обслуживание.
Рис. 17.8. Режимы поездной работы (заштрихованные области 7—5) при различном насыщении участков поездами
Если в поездной работе в нормальном режиме обеспечивается оптимальное насыщение участков поездами, при котором реализуются максимальные размеры движения и наибольший объем переработки вагонов на станциях при отсутствии задержек поездов по неприему, такой режим называется оптимальным (см. рис. 17.8, область 2).
Утяжеленный режим (см. рис. 17.8, область 3) характеризуется наличием избытка рабочего парка вагонов; увеличением времени нахождения вагонов на станциях, а поездов — на участках; имеются задержки поездов по неприему станциями, но отсутствуют поезда, отставленные без локомотивов на промежуточных станциях. Параметры эксплуатационной работы могут соответствовать показателям сменно-суточного плана, которые были заданы ниже уровня месячного технического плана. Этот режим из-за отклонений времени хода поездов от графиковых нормативов создает трудности в планировании пропуска поездов по участкам и в прибытии их на станции, обеспечении составов локомотивами. В отличие от нормального режима, на те же размеры движения требуется больший эксплуатируемый парк локомотивов и соответственно — большее число локомотивных бригад.
Аварийный режим (см. рис. 17.8, область 5) возникает при прекращении движения поездов из-за неисправностей (подвижного состава, пути, устройств электроснабжения, СЦБ и связи), сдвигов груза на открытом подвижном составе, угрожающих безопасности движения, и ряда других причин. После ликвидации аварийной ситуации поездная работа часто происходит в тяжелом или утяжеленном режиме.
Задачи, решаемые диспетчерским аппаратом в каждый момент времени, и его действия зависят от режима поездной работы. Так, задача управления поездной работой в нормальном и оптимальном режимах состоит в обеспечении соблюдения установленных нормативов графика движения, предотвращении перенасыщения участков поездами и станций вагонным парком.
Основными функциями диспетчерского аппарата в нормальном и оптимальном режимах являются: регулирование режима в соответствии с планами составообразования на станциях, обеспечение составов локомотивами и локомотивными бригадами, пропуска поездов по участкам, смены локомотивов и локомотивных бригад на технических станциях, передачи поездов по стыковым пунктам между дорогами, подвода поездов к станциям.
Задача управления в утяжеленном и тяжелом режимах — ликвидация перенасыщения участков поездами и восстановление нормального режима. К перечисленным выше функциям диспетчерского аппарата добавляются: регулирование поездопотоков на параллельно расположенных линиях и разветвленных полигонах, временное сокращение числа отправляемых на участки поездов, оперативная корректировка плана формирования, увеличение передачи поездов через стыковые пункты, организация движения соединенных и тяжеловесных поездов.
Задача управления в аварийном режиме — быстрейшая ликвидация и предотвращение распространения сбоя движения поездов, использование обходных линий, оперативная корректировка плана формирования и сменно-суточного плана поездной работы. Последовательность выполнения отдельных мероприятий зависит от конкретной аварийной ситуации и распределения обязанностей между диспетчерским аппаратом разных уровней управления. Ликвидация последствий аварийного нарушения и восстановление нормального режима поездной работы производится, как правило, без учета требований экономичности, и лишь после восстановления нормального режима работы принимаются меры для его оптимизации.
Информационный портал
Тормозной силы В, действующих в каждый момент на поезд, определяет режим его движения с учетом профиля и плана пути. Машинист управляет режимом движения поезда, регулируя силу тяги э. п.с. и применяя в необходимых случаях торможение поезда.
При трогании поезда машинист выбирает такой режим работы тяговых двигателей, чтобы сила тяги F электровоза была больше силы сопротивления движению поезда W, т. е. F>W.
При этом результирующая сила, равная их разности, т. е. F-W, преодолевая инерцию поезда, определяемую его массой Т, создает ускорение DV/dt>0 согласно второму закону Ньютона. Наибольшее ускорение поезд приобретает обычно во время пуска (рис. 1.7), так как сила тяги электровоза значительно больше силы сопротивления движению поезда.
Скорость Vn на рис. 1.7 означает скорость выхода на номинальную тяговую характеристику электровоза, на которой он может работать длительно.
По мере дальнейшего роста скорости движения возрастает сила сопротивления движению, а сила тяги электровоза монотонно снижается и через некоторое время эти силы становятся равными. Начиная с этого момента поезд на участке неизменного профиля будет двигаться с постоянной скоростью, потому что разность F-W равна нулю, а это значит, что ускорения поезда нет (равномерное движение).
При необходимости стабилизировать скорость поезда или при подготовке к торможению машинист переводит рукоятку главного контроллера в нулевое положение, отключая тяговые двигатели от контактной сети. Сила тяги электровоза становится равной нулю. Теперь режим движения поезда
Определяется соотношением силы инерции, зависящей от величины накопленной к этому моменту кинетической энергии поезда, и силы сопротивления движению. В процессе выбега на горизонтальном участке пути поезд будет замедляться под действием силы сопротивления движению, т. е. силы трения.
При торможении поезда с начальной скорости VhT машинист как бы искусственно увеличивает сопротивление движению поезда, гася кинетическую энергию движущегося поезда в тормозной системе (колодочное или реостатное торможение) или возвращая ее в контактную сеть при рекуперативном торможении.
При движении по вредному спуску суммарная составляющая (рис. 1.7) сопротивления движению от веса поезда, будучи направлена по движению поезда, увеличивает его ускорение и, как следствие, скорость движения. Для того, чтобы скорость движения не превысила допустимую, приходится подтормаживать поезд. Необходимость включения тормоза является признаком вредного спуска (обычно спуски больше 4-5%о).
При остановке поезда на крутом уклоне (контроллер машиниста выключен) может оказаться, что его основное сопротивление движению Wo Меньше дополнительного от уклона W. Если при этом поезд не заторможен, то он начинает двигаться вниз по спуску, причем скорость его будет возрастать до значения, определяемого равенством W0=Wj. Во избежание такого «самоката» поезда после остановки на подъеме или спуске рекомендуется применять ручной тормоз, а также устанавливать тормозные башмаки.
В режиме торможения на площадке независимо от вида его — механическое или электрическое — тормозная сила В, суммируясь с основным сопротивлением движению W0, вызывает замедление поезда. Здесь важно выдержать заданный тормозной путь, например, при остановке перед запрещающим сигналом или на станционном пути.
При торможении поезда на подъеме составляющая W, действующая в том же направлении, что и тормозная сила В, будет вызывать более интенсивное замедление поезда. При торможении на спуске (рис. 1.7) составляющая W направлена против тормозной силы В, т. е. она становится движущей силой, снижает замедление поезда.
Поезд двигается по вредному уклону с постоянной скоростью, когда B+Wo=Wi.
Регулируя в зависимости от обстановки силу тяги или в режиме торможения тормозную силу, машинист может установить желаемый режим движения поезда, регулируя его скорость вплоть до остановки.
Исходя из указанных обобщенных соображений продольной механики движения поезда, уже достаточно давно предпринимаются попытки автоматизировать ведение поезда по заданной программе, то есть по графику движения с учетом показаний путевых сигналов. Фактически эта задача сводится к решению в бортовом процессе уравнения движения поезда, приведенного выше, причем это решение должно учитывать:
— профиль пути, то есть сопротивление от уклона W;
— график движения и режимные карты, т. е. требуемую скорость движения поезда;
— тяговые и тормозные возможности электровоза, то есть возможность регулирования сил F и B.
Принципиально эта задача может быть решена при помощи бортовой ЭВМ (автомашинист), которая обеспечивает движение поезда по программе V(S) при учете ограничений, накладываемых сигналами автоблокировки. В настоящее время такие системы автоведения созданы. Наиболее совершенные системы используются на метрополитене. Аналогичный принцип заложен для электропоездов пригородного сообщения. Решается эта задача и для поездов дальнего сообщения.
Модель механики движения поезда
Простейшая модель механики движения поезда, принятая в тяговых расчетах, может быть построена на основе следующих рассуждений.
Общее представление о движущемся поезде дает его расчетная схема (рис. 1, а). На ней поезд показан как связка (совокупность) локомотива и группы (состава) вагонов, сцепленных вместе упругими связями. Длина поезда — lп.
На поезд целиком и на его составные элементы по отдельности действуют упомянутые выше горизонтальные силы: движущая сипа (или сила тяги) F и силы сопротивления движению составных частей поезда W’, W". Wn", а также и вертикальные силы тяжести его составных частей — вес локомотивами веса вагонов. Поезд, как система связанных между собой элементов, движется поступательно с общей для всех элементов скоростью v.
Будем подразумевать некоторые, естественные в наших целях, упрощения: не принимаются во внимание многие, несущественные для анализа детали, например техническое состояние вагонов и локомотива (достаточно того, что они могут двигаться в составе), их вертикальные и поперечные колебания и т. д.
Тем не менее, число даже только принятых во внимание на схеме рис. 1, а переменных величин делает их систему неудобной для анализа. Проделаем несколько последовательных упрощений.
Этап 1. Объединим условно в одно тело общей массой Mq = Σ mi и весом Q = ∑qi все вагоны состава. Наличием связей между ними и возможностями относительных перемещений вагонов пренебрегаем.
Рис. 1. Расчетные схемы сил, действующих на поезд при его движении
Это возможно сделать потому, что суммарная работа внутренних сил в поезде равна нулю, так как в любой сцепке при относительных перемещениях действуют взаимно противоположные силы.
Сила общего сопротивления движению состава будет W"=Σ W".
Новая модель поезда теперь представляет собой два связанных тепа (локомотив и состав вагонов), движущихся поступательно (рис. 1,б). Так как оба тела находятся в движении одно и то же время, проходят одно и то же расстояние (от одной станции до другой), то есть движутся с одной и той же средней скоростью, возможно дальнейшее упрощение.
Этап 2. Исходя из этих соображений, представим поезд теперь в виде одного тела общим весом (Р+ Q), на которое действуют горизонтальные силы тяги F и сопротивления движению W(рис. 1, в).
На этом этапе составления модели обратим внимание на то, что часть массы поезда (колесные пары локомотива и вагонов, якори тяговых электродвигателей локомотива), помимо поступательного движения в составе поезда, совершает вращательное движение, на что затрачивается часть работы движущей силы F.
Этап 3. Исключим из рассмотрения вращающиеся массы, условно увеличивая вес (массу) движущегося поезда умножением его на (1 +γ), где γ — коэффициент (доля) вращающихся масс в общей массе поезда. В результате получаем одно тело весом Р (1 + γ) и массой Μ (1 + γ), движущееся поступательно (рис. 1, г).
Этап 4. Последним этапом моделирования поезда может быть отвлечение от его реальных размеров. Можно посчитать, что, так как все элементы поезда движутся поступательно, его реальные размеры (то есть, длина) не имеют существенного значения для анализа характера его движения. Это позволяет рассматривать движение поезда как движение центра его масс (центра тяжести), то есть как движение известной в механике модели — материальной точки, в которой сосредоточена масса поезда и к которой приложены все действующие на него силы.
Именно такая, внешне очень простая, модель поезда и положена в основу методов тяговых расчетов, предназначенных для использования в практике эксплуатации железных дорог в нашей стране. Это положение зафиксировано в п. 1.4.1 Правил тяговых расчетов: «При определении скорости движения и времени хода поезд принимать за материальную точку, в которой сосредоточена вся его масса. Положение этой точки условно считать в середине поезда».
Об учете в расчетах длины поезда.
В модели и методике тяговых расчетов, установленных Правилами тяговых расчетов, не учитывается вообще длина поезда и ее соотношение с длинами элементов продольного профиля (подъемов и спусков).
Необходимость учета длины поезда при тяговых расчетах неоднократно высказывалась различными специалистами. И отношение к этому вопросу неоднозначное.
С одной стороны, возможность учета реальной длины состава, безусловно, могла бы способствовать повышению точности самих тяговых расчетов. Но, с другой стороны, это сделало бы их более сложными. Последнее обстоятельство имело особое значение в период разработки и формирования методики тяговых расчетов, когда все расчеты выполнялись вручную.
Еще в 1915 г. профессор Ю.В. Ломоносов, рассматривая влияние конечной длины поезда в увязке с технологией предварительной подготовки продольного профиля пути для расчетов («спрямлением», о чем речь будет ниже), констатировал, что «принимая массу поезда сосредоточенной в середине поезда, во всех случаях, выдвигаемых практикой, можно не считаться с конечной длиной его».
Однако, по мере роста мощностей локомотивов и масс поездов, перевозимых по железным дорогам, особенно так называемых тяжеловесных и длинносоставных, вопрос о необходимости учета длины поезда при тяговых расчетах возникал вновь.
Этому способствовало использование для выполнения тяговых расчетов электронно-вычислительных машин.
Особое значение этот вопрос приобретал при проектировании продольного профиля новых железных дорог, и поэтому разработку методов и машинных программ проектных тяговых расчетов с учетом конкретной длины поезда часто разрабатывали не только тяговики, но и специалисты по проектированию железных дорог.
В таких случаях за модель движущегося поезда чаще принимают линейную цепь с распределенной погонной нагрузкой q =(P+Q)|1п, где lп — длина поезда. Естественно, что объемы вычислительных работ по такой модели при выполнении тяговых расчетов, даже с помощью ЭВМ, существенно увеличиваются и «вручную» такой расчет может быть выполнен лишь для единичных элементов продольного профиля железнодорожного пути. Однако надо иметь в виду, что «повышение точности» в какой-то мере условно, так как исходные данные в тяговых расчетах сами условно усреднены.
Режимы движения поезда.
В соответствии с этой моделью могут встречаться три основных сочетания различных действующих на поезд сил, которые определяют так называемые режимы его движения.
Режим тяги (или работы локомотива).
На поезд действуют сила тяги F и силы сопротивления W. Равнодействующая действующих на поезд сил R = F- W.
Здесь возможны три варианта характера движения поезда в зависимости от соотношения действующих сил:
а) R > 0, то есть F>W, что соответствует ускоренному движению поезда на стадиях разгона и увеличения скорости его движения;
б) R < 0, то есть F< W — замедленное движение;
в) R = 0, то есть F= W — равномерное движение.
Режим выбега (или холостого хода энергетической установки локомотива, при котором ее энергия на тягу поезда не используется).
В этом случае поезд движется без участия силы тяги локомотива (по инерции или под уклон). На поезд действуют только силы сопротивления движению W. Движение при этом, как правило (за исключением движения на крутых спусках), замедленное.
Режим торможения.
На поезд, при отсутствии силы тяги, кроме сил сопротивления действуют искусственные силы, направленные противоположно движению и сумма которых представляет тормозную силу поезда В, величина которой может быть значительно больше сил основного и дополнительного сопротивления движению. В этом режиме равнодействующая этих сил R = -( W+ В) всегда отрицательна и движение поезда — замедленное.
Режимы движения поезда
Поезд может находиться в трех режимах движения: в режиме тяги, когда у локомотива создается сила тяги; в режиме выбега, когда у локомотива нет силы тяги, и поезд движется за счет запасенной кинетической энергии (по инерции); в режиме торможения, когда создается тормозная сила.
Если силу тяги Fк, силы сопротивления Wк, силу торможения Вт поделить на вес поезда (масса, умноженная на ускорение свободного падения m*g), то получим, соответственно, удельную силу тяги , удельную силу сопротивления , удельную тормозную силу .
При движении поезда ускоряющая сила изменяется в связи с изменением режимов работы локомотива, плана и профиля пути. Наиболее общим случаем является ускоренное или замедленное движение и только в частных случаях – равномерное.
Ускоренное движение можно получить как в режиме тяги, так и в режиме выбега и торможения при следовании на спусках, когда составляющие от веса поезда окажутся больше сил сопротивления движения или суммы сил сопротивления движения и тормозной силы.
Равномерное движение наступает при равенстве этих сил.
Замедленное движение может быть и в режиме тяги при следовании по подъему, когда сила тяги окажется меньше сил основного и дополнительного сопротивлений движению.
При fy > 0 – ускоренное движение, fy = const > 0 равноускоренное.
При fy < 0 – замедленное движение, fy = const < 0 равнозамедленное.