Выбор рациональных схем формирования грузовых поездов повышенной массы и длины.

Проблема вождения длинносоставных поездов в России встала перед железнодорожниками впервые в конце 40^х в начале 50^х годов ХХ века (еще при паровозной тяге) на особо грузонапряженных участках как один из способов увеличения пропускной способности железных дорог без значительных капиталовложений. Собственно говоря, можно выделить следующие способы повышения пропускной способности железных дорог:

- повышение скоростей движения (за счет усиления верхнегостроения пути, искусственных сооружений и идеального содержания пути);

- оборудование автоблокировкой;

- строительство вторых и третьих путей;

- замена подвижного состава на более мощный, включая электрификацию.

Все перечисленные способы требуют капитальных вложений (какие-то больших, какие-то меньших). При использовании того же тягового подвижного состава увеличение массы поездов, а, следовательно, и их длины позволяет увеличить пропускную способность как отдельных участков, так и железных дорог в целом.

Возможно увеличение массы поезда следующими способами:

1. Без увеличения числа локомотивов. Увеличение массы поезда возможно за счет превышения критической массы на участке с помощью организационных мер – разработки рекомендаций локомотивной бригаде по ведению тяжеловесного поезда по участку (минимальные скорости проследования отдельных участков, места применения рекуперации или запрещения использования рекуперации и т.д.). Способ дает хороший эффект, если длина поезда не превышает полезную длину приемоотправочных путей станций, но неосуществим на участках, на которых масса поезда ограничена мощностью локомотива при движении на затяжном подъеме или нагреванием обмоток ТД.

2. С увеличением числа локомотивов

- в голове поезда (применение многосекционных локомотивов или нескольких локомотивов по системе многих единиц (СМЕ);

- в голове поезда и в хвосте поезда (применение "толкача");

- распределение локомотивов по длине поезда.

При использовании нескольких локомотивов, особенно распределенных по длине поезда, возникают трудности по их синхронному управлению. При ручном управлении таким поездом возможен обрыв поезда в режимах тяги и торможения и "выдавливание" отдельных вагонов в кривых участках пути при торможении, что может привести к крушению. Решение проблемы синхронного управления локомотивами возможно применением радиоуправления по системе многих единиц.

При использовании данного способа, как правило, длина поезда превышает полезную длину приемоотправочных путей станций, следовательно, необходимы дополнительные организационные мероприятия по пропуску таких поездов. Кроме этого, возможны потери времени на расцепление таких поездов перед конечными станциями, что может свести на нет усилия из-за задержки остальных поездов на участке. При использовании нескольких электровозов увеличивается нагрузка на систему тягового энергоснабжения и может потребоваться введение дополнительных тяговых подстанций и усиление контактной сети, что так же снижает эффект от увеличения массы поезда.

Рассмотрим, какие факторы необходимо учитывать при выборе схемы формирования грузовых поездов повышенной массы и длины. Различают следующие схемы формирования:

- ЛС (Л – локомотив; С – состав);

- ЛС…ЛС;

- ЛССЛ.

Расчет ограничения массы поезда по схеме ЛС (при отсутствии ограничений по мощности локомотива, сцеплению колес с рельсами, нагреванию электротягового оборудования) производится для условий равномерного или равноускоренного движения поезда под действием медленно изменяющихся во времени внешних сил – сопротивления движения и силы тяги. В этом случае продольные силы в поезде обусловлены внешними силами и силами инерции, которые определяются ускорениями его масс. Относительные перемещения отдельных вагонов при этом практически не влияют на силовые взаимодействия в нем.

Рассмотрим поезд, массой Q, сформированный по схеме ЛС и движущийся по уклону, крутизной i с постоянным ускорением а. Величина продольной силы в сечении х определяется выражением

.

Для поезда, находящегося на двух элементах профиля:

.

Для поезда, находящегося на n элементах профиля можно записать n уравнений. В общем случае, при нумерации элементов профиля с головы поезда, продольная сила в сечении х будет равна:

.

Как видно из рисунков, при формировании грузового поезда по схеме ЛС максимальное значение продольной силы наблюдается в голове поезда. Результаты расчета сравниваются с регламентируемыми значениями прочности автосцепки. Наибольшая сила тяги локомотива, находящегося в голове поезда, при трогании с места и разгоне до 10 км/ч не должна превышать 0,95 МН, а при разгоне и движении по труднейшему подъему – 1,3 МН.

В том случае, если необходимая сила тяги не может быть реализована по условиям прочности автосцепки, следует использовать локомотивы, распределенные по длине поезда. При этом возможно несколько схем формирования поезда.

Наиболее распространенной является схема ЛСЛС – соединенный поезд, состоящий из двух обычных поездов. В случае если массы обоих поездов одинаковы, то эпюра продольных сил будет иметь вид:

В этом случае максимальные продольные силы наблюдаются в голове каждого поезда. Они равны между собой (F₁ = F₂). Каждый локомотив как бы везет только свой поезд. Такая схема формирования рациональна при равенстве масс поездов критической массе на участке.

В случае если массы объединенных поездов неравны, то при одинаковых силах тяги локомотивов в хвосте первого поезда наблюдается область сжатия вагонов.

Для исключения сжатия вагонов необходимо перераспределить силу тяги локомотивов. Однако при этом мощность второго локомотива недоиспользуется.

Формирование поездов неодинаковой массы рационально, если критическая масса на участке меньше ограничения по длине станционных путей. В этом случае длина первого поезда равна полезной длине приемоотправочных путей.

При формировании поезда по схеме ЛССЛ наблюдается сжатие вагонов во втором составе. Для уменьшения сжатой части поезда целесообразно усилить тягу в голове поезда и уменьшить в хвосте. Это повысит устойчивость против выдавливания вагонов, уменьшит сопротивление движению и воздействие на путь.

При рассмотрении вариантов формирования поездов, при котором наблюдаются области сжатия вагонов необходимо выполнять проверку по поперечной устойчивости вагонов в рельсовой колее и самой рельсовой колеи. Максимально допустимые продольные сжимающие силы зависят от типа подвижного состава и нагрузки на ось. Для четырехосных вагонов допускается продольная сжимающая сила 0,5 МН при нагрузке на ось до 12 т и 1 МН при нагрузке свыше 12 т. Для восьмиосных вагонов – соответственно 1 и 2,5 МН.