ПЗ (Тяговые расчёты для новых схем формирования поездов), страница 3

2.1 Образование продольных сил и их влияние на подвижной состав

Тяжеловесное движение возникло из потребности обеспечить наиболее экономичный способ перевозки руды, угля и других однородных насыпных типов грузов из мест их добычи до морских портов, мест массового складирования или до мест потребления. Известно, что необходимым условием полноценного развития тяжеловесного движения в разных странах явились организация и проведение исследований всех основных процессов, имеющих место при взаимодействии экипажа и пути, и продольной динамики поезда, системный подход к проблемам взаимодействия колеса и рельса, экипажа и пути, нагрузок в системе энергоснабжения при электрической тяге. В нашей стране развитие хозяйственной деятельности требует увеличения объёма перевозок, значительная часть которых осуществляется железнодорожным транспортом. Одним из способов повышения провозной способности железных дорог, не требующих больших капитальных затрат на модернизацию инфраструктуры, является введение в обращение и широкое использование поездов повышенной массы и длины – от 6000 тонн и выше. При большой массе и увеличенной длине значительно ухудшается характер протекания переходных процессов в поезде при его движении; амплитуды продольных динамических сил, действующих в нём, возрастают до величин, превышающих значения, установленные по условиям статической и усталостной прочности автосцепок и поглощающих аппаратов подвижного состава, в результате чего возможно возникновение внезапных и постепенных отказов, заключающихся в их разрушении и, как следствие, разрыве поезда. Эти факторы является серьёзным нарушением безопасности движения поездов.

В документе СТО "РЖД" 1.07.002-2010 "Инфраструктура железнодорожного транспорта на участках обращения грузовых поездов повышенного веса и длины. Технические требования" чётко сформулировано понятие продольной силы [9]. Продольная сжимающая (растягивающая) сила: медленно изменяющаяся квазистатическая сила, возникающая в поезде в процессе установившегося его движения и определяемая осреднением за две секунды. Квазистатическая сила - медленно изменяющаяся сила, возникающая в процессе установившегося движения с плавным характером роста и действии в течение более двух секунд.

Продольные силы в поезде при эксплуатации длинно-составных поездов играют решающую роль, поскольку от них зависят безопасность движения, провозная способность и износ подвижного состава. В результате нарушений режима вождения в поезде могут возникать большие продольно-динамические силы – как растягивающие, так и сжимающие. Эффект от действия продольных сил определяется их направлением и положением вагона по отношению к соседним экипажам в сцепе. При расположении вагонов под углом друг к другу в плане возникают поперечные горизонтальные составляющие продольных сил, а при разности высот их автосцепок ‒ вертикальные составляющие, дающие дополнительно нагрузку или разгрузку соответствующих колес экипажа, что оказывает влияние на соотношение боковых и вертикальных сил взаимодействия.

Важно подчеркнуть то, что наличие продольных сил не только ведет к увеличению интенсивности виляния, но и способствует уменьшению вертикальных нагрузок в системе колесо – рельс, то есть ведет к уменьшению сил, препятствующих вкатыванию колеса на головку рельсов. В таких ситуациях уменьшение устойчивости колеса на рельсе наблюдаются не как результат прямого действия продольной силы большой величины, а как следствие интенсивных колебаний экипажа [10]. Это особенно проявляется в зоне переходных кривых, для которых характерно наличие дополнительных возмущений ударного характера и связанно с растягивающим продольными силами.

Величина продольных сил в решающей степени зависит от характеристик пневматического тормоза. Тормозная волна распространяется несколько ниже скорости звука, ну а отпускная – в разы медленнее. В связи с этим временной сдвиг момента срабатывания или отпуска тормозов в отдельных вагонах создает в составе продольные силы. Разница во времени срабатывания тормозов и, соответственно, величина продольной силы тем больше, чем длиннее поезд.

При организации движения поездов повышенной массы и длины необходимо учитывать некоторые особенности работы пневматических тормозов поезда, которые влияют на уровень продольно-динамических сил в поезде. При торможении с головы поезда тормозная волна с конечной скоростью от 250 до 300 распространяется вдоль состава и приводит в действие тормозные приборы вагонов. Таким образом, первыми тормозят головные вагоны и через несколько секунд хвостовые вагоны поезда. В грузовом поезде массой 6300 тонн и длиной около 1 километра это время составляет около 4 секунд. В поезде массой 9000 тонн различие во времени начала торможения головных и хвостовых вагонов будет около 6 секунд. При торможении головных вагонов и незаторможенных хвостовых возникает эффект набегания незаторможенных вагонов на заторможенную часть поезда, и продольные силы сжатия начинают действовать на выдавливание вагонов из рельсовой колеи, раскантовку рельсов, на сдвиг рельсошпальной решетки [11].

Из всего выше перечисленного можно сделать вывод о негативном воздействии больших продольных сил как на тяговый состав (автосцепные устройства, колесные пары, рессорное подвешивание), так и на верхнее строение пути.

2.2 Нормативы, определяющие допустимый уровень продольных сил в поезде

Безопасность при обращении поездов повышенного веса и/или длины в большей степени обеспечивают следующими мерами:

- режимом вождения поезда, при котором обеспечивается непревышение продольными сжимающими и растягивающими силами при движении поезда, трогании с места и торможении (в том числе и при экстренном) величин в соответствии с таблицей 2.1 и таблицей 2.2 которые указаны ниже.

- соблюдением правил формирования поездов.

- установлением максимально допустимых скоростей движения грузовых поездов повышенного веса и/или длины в соответствии с нормами.

Таблица 2.1 ‒ Максимально допускаемые растягивающие продольные силы квазистатического характера в грузовых поездах повышенного веса и/или длины (в том числе на автосцепках локомотивов)

Примечание - в таблице 2.1 приняты следующие обозначения:

У ‒ ограничение по устойчивости колеса на рельсе;

АТ ‒ ограничение по прочности автосцепок при трогании и электрическом торможении;

АР ‒ ограничение по прочности автосцепок при разгоне.

Из таблицы видно, что по условиям безопасности сила тяги локомотива не должна превышать усилий, допустимых по прочности автосцепки, равных 1300 кН при движении поезда с места и 950 кН при разгоне поезда:

Превышение сил этих величин может приводить к обрывам автосцепок, «стаскиванию» вагонов с рельсовой колеи, раскантовке рельсов и сдвигу рельсошпальной решетки.

Расчет «критической» нормы массы грузового поезда при наличии лимитирующего уклона в соответствии с ПТР предусматривает движение с равномерной расчетной скоростью по лимитирующему подъему, при котором сопротивление движению поезда равно расчетной тяге локомотива. При этом запаса силы тяги на ускорение поезда не предусматривается.

Для порожних вагонов допустимая растягивающая сила составляет 500 кН. Отсюда следует, что в поездах смешанного формирования, состоящих из груженых и порожних вагонов, необходимые тяговые усилия в которых превышают 500 кН, порожний вагон не может находиться в составе поезда ближе чем на расстоянии x от головы поезда [12].

При использовании прямодействующих или электрических тормозов локомотива и автоматических тормозов в поезде возникают сжимающие продольные силы квазистатического характера. Ограничения на силы торможения, развиваемые с помощью этих тормозов, приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Максимально допускаемые растягивающие продольные силы квазистатического характера в грузовых поездах повышенного веса и/или длины (в том числе на автосцепках локомотивов)

Примечание - в таблице 2.2 приняты следующие обозначения: