Рисунок 1.5 – Диаграмма анализа нагрузок на ось вагона

2 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНОГО

РЕЖИМА ВЕДЕНИЯ ПОЕЗДА

Рациональным называют такой режим, который в заданных эксплуатационных условиях и при строгом соблюдении всех требований эксплуатации обеспечивает наименьший удельный расход электроэнергии.

При заданных типах подвижного состава, массах поездов, профиле, расположении станций, расстановки сигналов автоблокировки важнейшие показатели работы электрифицированной дороги – скорость и расход электрической энергии – определяются режимом ведения поездов. Выбирая этот режим, целесообразно использовать все способы, снижающие расход энергии, сохраняя установленную скорость, или позволяющие повысить скорость без увеличения потребления энергии. Поэтому вопрос о выборе режима ведения поезда может быть решен только путем анализа влияния скорости и количества израсходованной электроэнергии на основные издержки, связанные с движением, и определением условий при которых эти издержки минимальны.

Следует помнить, что расход электроэнергии не может служить единственным критерием выбора оптимального режима движения поезда, так как снижение скорости может вызвать потери в эксплуатации, превышающие стоимость сэкономленной энергии. Поэтому режим движения поезда выбирают на основании тяговых экономических расчетов, учитывая с одной стороны, расходы, зависящие от скорости движения поезда и использовании провозной способности, а с другой – от количества израсходованной электроэнергии. Из всех вариантов, отвечающим заданным техническим условиям, выбирают оптимальный, соответствующий минимуму приведенных затрат.

Также следует отметить, что на расход электроэнергии влияют техническое состояние электроподвижного состава, условия формирования состава и движения каждого поезда, квалификация локомотивных бригад и используемые режимы вождения поездов.

3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНОГО

РЕЖИМА ВЕДЕНИЯ ПОЕЗДА

3.1 Оценка эффективности работы локомотива

К тягово-энергетическим показателям локомотивов относятся масса и скорость поездов (а, следовательно, и производительность локомотивов), расход электроэнергии или топлива на тягу поездов, коэффициент полезного действия. Эти показатели тесно связаны с пропускной и провозной способностями, участковой скоростью, среднесуточным пробегом и оборотом подвижного состава, а также потребным парком локомотивов и вагонов для освоения объема перевозок. Особое значение имеют масса и скорость поездов, поскольку они определяют наивыгоднейший способ организации перевозок, определяют основные параметры локомотивов. Как правило, оптимальные значения массы и скорости поездов устанавливать таким образом, чтобы обеспечивались минимальные годовые приведенные расходы.

Применение в практике вождения поездов оптимальных режимов управления локомотивом позволяет решать весьма важную проблему улучшения использования его мощности путем повышения массы поездов и скоростей движения без значительных капиталовложений на приобретение новых более мощных локомотивов. Наряду с этим использование рациональных режимов управления локомотивом оказывает определяющее влияние на уровень расходования топливно-энергетических ресурсов.

Обычное стремление к максимальному использованию мощности локомотивов означает реализацию максимальных значений силы тяги. Оптимальное регулирование силы тяги представляет собой главную цель и содержание рациональных режимов вождения поездов. Причем условия работы локомотива характеризуются непрерывным изменением силы тяги и скорости движения. Такой режим работы локомотива вызывается непрерывным изменением профиля и плана пути, различным уровнем допускаемых скоростей, а также необходимостью остановок поездов на раздельных пунктах. Кроме того, мощность локомотивов непостоянна при различных скоростях, что определяется формой тяговых характеристик. Особенно меняется мощность электрических машин локомотивов в зависимости от реализуемой скорости. Увеличение средних скоростей движения поездов обычно вызывает повышение удельного расхода электроэнергии или топлива, так как при этом возрастает основное сопротивление движению и потери энергии в тормозах. Наибольший экономический эффект от улучшения использования мощности локомотивов получают тогда, когда увеличение средних скоростей движения сопровождается совершенствованием режимов вождения поездов для рационального использования электроэнергии или топлива.

Для неодинаковых эксплуатационных условий рациональные режимы вождения поездов оказываются различными. Это не позволяет рекомендовать один режим ведения поезда, оптимальных для всех практически встречающихся условий движения поезда по участку. Даже на одном и том же участке эти условия часто меняются. При электрической тяге изменяется напряжение в контактной сети. Кроме того, характеристики электрических машин и конкретных локомотивов в зависимости от их технического состояния могут в определенных пределах отличаться от соответствующих паспортных характеристик.

Все это и создает главные трудности при разработке и практическом использовании рациональных режимов вождения поездов. Опыт показывает, что даже при наличии карт режимов ведения поездов, технически обоснованных для некоторых средних эксплуатационных условий, действительный удельный расход электроэнергии и топлива у различных машинистов на одних и тех же участках получается разный с отклонением как в большую, так и в меньшую сторону от установленной нормы. Передовые хорошо технически подготовленные и глубоко понимающие энергетическую сторону работы локомотива и движения поезда машинисты умело учитывают конкретные эксплуатационные условия, быстро принимают правильные рекомендации режимных карт на вооружение и добиваются значительной экономии электроэнергии или топлива.

Рациональный по расходу топливно-энергетических ресурсов режим ведения поезда должен предусматривать и рациональное использование мощности локомотива по условиям нагревания тягового электрооборудования или сцепления колес с рельсами на лимитирующих подъемах участка. Обычно режимы ведения поезда, рациональные по условиям использования мощности локомотивов на лимитирующих подъемах, не противоречат режимам, рациональным по расходу электроэнергии или топлива.

3.2 Рациональные режимы вождения поездов на участках с

ограничением использования мощности по условиям сцепления

Обычно профиль участков железнодорожной сети, на которых имеются ограничения в использовании мощности локомотивов по сцеплению, характеризуется наличием подъемов большой крутизны, но относительно небольшой протяженности. Поэтому при разработке и реализации режимов вождения поездов на таких участках очень важно наряду с реализацией наибольших сил тяги обеспечивать максимальное использование кинетической энергии движущегося поезда.

На участках с затяжными большими подъемами, где установившаяся скорость меньше экономически наивыгоднейшей, целесообразно вести поезд на ступенях регулирования, близких к наивысшим. Возникает вопрос о том, в какой момент перейти на эти ступени регулирования при движении по предшествующему подъему участку с небольшими уклонами и с какой скоростью экономически выгодно вступить на подъем. При меньшей скорости меньше расход электроэнергии, так как короче путь, проходимый поездом на ступенях регулирования с повышенными скоростями, но из-за этого меньше скорость движения поезда. Следовательно, существует некоторая экономически выгодная скорость, при которой сумма расходов на энергию и расходов, пропорциональных времени, будет минимальной.

Как известно, кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости, следовательно, при подходе к тяжелым элементам профиля скорость должна быть наибольшей, что дает возможность проследовать часть подъема за счет накопленной на предыдущих элементах профиля кинетической энергии поезда.

При движении по подъему скорость движения падает по мере использования кинетической энергии, а ток тяговых двигателей возрастает, однако переходить на низшие позиции необходимо только при достижении током тяговых двигателей, следовательно, и силой тяги локомотива предельных значений. Если после перехода на низшие позиции ослабления возбуждения скорость движения поезда продолжает уменьшаться, нужно переходить на полное или нормальное возбуждение. В случаях, когда после перехода со ступеней ослабленного возбуждения на полное скорость движения поезда продолжает снижаться, а нагрузка вновь достигает предельных значений, допускается кратковременный переход на более низкую позицию. Движение поезда в таких условиях в соответствии с ПТР не должно допускаться на протяжении 500 м.

Зачастую элементы профиля пути с трудными подъемами чередуются с элементами профиля меньшей крутизны. Такие места следует использовать для повышения скорости движения поезда и накопления кинетической энергии. Для этого целесообразно переходить на более глубокое ослабление возбуждения или высокие позиции регулирования.

Подобные условия движения в конце подъема могут оказаться рациональными с точки зрения экономии электрической энергии и топлива в том случае, если после подъема расположена станция, на которой предусмотрена остановка поезда, или вредный спуск. Тогда снижение потерь энергии в тормозах при последующем торможении позволит получить некоторую экономию топливно-энергетических ресурсов. Изложенные рекомендации наиболее эффективны при разработке рациональных режимов вождения поездов по преодолению подъемов сравнительно небольшой протяженности. На участках, имеющих тяжелые подъемы значительной длины, по которым локомотив с поездом следует с большими нагрузками продолжительное время, как правило, проявляется действие ограничения по нагреванию электрических машин.

3.3 Режимы вождения поездов при ограничении их масс по нагреванию

электрических машин

При работе электрической машины в ней возникают электрические, механические, магнитные и добавочные потери мощности, вызывающие нагрев ее частей. Температура нагрева зависит от этих потерь, продолжительности нагревания и интенсивности охлаждения. Потери возрастают с увеличением мощности, а при неизменном напряжении с увеличением тока нагрузки.

Максимально допустимые температуры в электрических машинах ограничены нагревостойкостью изоляционных материалов.

Эксплуатация электрических машин с температурами выше допустимых вызывает преждевременное старение изоляции и влечет за собой выход машины из строя. Номинальными мощностями электрических машин локомотивов установлены мощности часового и продолжительного режимов.

Подъемы значительной крутизны, но небольшой протяженности преодолеваются поездом за сравнительно небольшое время, и электрические машины не успевают нагреться до максимально допустимой температуры, хотя токи при этом могут превышать номинальные. Если же подъем затяжной, то продолжительное движение с большими нагрузками, может вызвать нагрев обмоток электрических машин. В таких случаях переходят на более низкие ступени ослабления возбуждения или даже используют режим полного возбуждения.

Как и в случаях ограничения по сцеплению, весьма эффективным является использование кинетической энергии поезда, поскольку это позволяет уменьшить токовые нагрузки и тем самым снизить нагрев электрических машин в процессе движения по подъему. Особенно важно иметь возможно большую скорость перед подъемом, начинающимся после вредного спуска, что позволяет проследовать часть подъема на выбеге.

На нагревание обмоток электрических машин большое влияние оказывает режим ведения поезда. Из практики известны случаи, когда применение оптимальных режимов вождения поездов, разработанных и уточненных во время тягово-эксплуатационных испытаний, позволило организовать устойчивое вождение поездов массой, превышающей расчетные значения.

3.4 Влияние режимов вождения поезда на составляющие механической

работы

Режим движения поезда определяется соотношением всех действующих на поезд сил, который состоит из следующих фаз:

а) пуск, включающий разгон поезда до выхода на выбранную ходовую характеристику локомотива;

б) движение на ходовых позициях контроллера машиниста;

в) выбег – движение при выключенных тяговых двигателях;

г) регулировочное торможение – применение ступени торможения на крутых спусках для поддержания его скорости;

д) торможение для снижения скорости, а также до полной остановки.

Режим ведения поезда можно характеризовать, с одной стороны, скоростью движения или ее изменением во времени, а с другой, затратами электроэнергии, которые зависят как от полезной механической работы тягового электрического привода, затраченной на движение поезда, так и от потерь энергии при ее преобразовании.

Фазы режима ведения поезда, связанные с выполнением механической работы тяговым электрическим приводом по передвижению поезда (пуск, движение под током), в зависимости от соотношения силы тяги и сопротивления движению направлены на увеличение механической энергии или поддержание ее неизменной. При движении на выбеге, торможении на крутых спусках и торможении поезда для снижения скорости, приобретенная поездом механическая энергия частично или полностью теряется. Кинетическая энергия поезда в начале и конце участка равна нулю. Поэтому результирующую механическую работу тягового электрического привода на заданном участке пути можно представить в виде суммы составляющих

, (3.1)

где , , – механическая работа, затраченная соответственно на изменение потенциальной энергии поезда, на преодоление сил сопротивления движению от кривых и сил основного сопротивления движению поезда;