Общие сведения о тяговых расчетах при проектировании железных дорог

1.1 Назначение тяговых расчетов

При разработке проекта новой или реконструкции существующей железной дороги решают следующие задачи:

- оптимизация положения трассы в плане и профиле;

- выбирают элементы технического оснащения линии, в частности тип локомотива;

- назначают пути увеличения провозной способности железной дороги.

Для того чтобы решить эти и другие задачи проектирования железных дорог, надо располагать алгоритмическими методами, позволяющими определить массу поезда при известном продольном профиле и заданном локомотиве, скорости движения и время хода поезда, расход электрической энергии при электрической тяге или дизельного топлива при тепловозной тяге.

Такие методы объединяются общим названием – тяговые расчеты, которые базируются на общих положениях науки о тяге поездов.

Специфика тяговых расчетов при проектировании железных дорог состоит в том, что основное внимание уделяется тем вопросам, от которых зависит выбор проектного решения и его качество.

1.2 Модель поезда в тяговых расчетах

Поезд представляет собой систему масс (локомотив один или несколько и вагоны), соединенных упругими связями (автосцепка). Если для тяговых расчетов, выполняемых при проектировании железных дорог, принять модель, прямо имитирующую реальный поезд, то вычисления получаются неоправданно сложными, и возникает желание упростить модель. В тоже время в исследовании продольной динамики поезда упрощение сложной модели недопустимо.

Таким образом, модель поезда для аналитических расчетов должна быть с одной стороны как можно более адекватной реальному поезду, а с другой стороны – более простой с целью уменьшения трудоемкости расчетов. В качестве модели можно принять:

- стержень;

- упругую нить;

- систему масс со связями;

- материальную точку.

Для упрощения вычислений в тяговых расчетах принимается ряд допущений. Так в большинстве случаев поезд рассматривается как материальная точка, расположенная в центре тяжести поезда (в середине) и концентрирующая в себе всю массу поезда (где ‑ вес локомотива, т; ‑ вес вагонного состава, т) (рис. 1.1):

 

Рис. 1.1. Модель поезда в виде материальной точки

 

В более точных расчетах, при исследовании условий движения длинносоставных и тяжеловесных поездов, поезд представляется в виде системы масс со связями.

Порядок и методика тяговых расчетов приведены в Правилах тяговых расчетов (ПТР) [2].

1.3 Силы, действующие на поезд

В тяговых расчетах рассматриваются и изучаются силы, действующие вдоль линии движения поезда. Выделяют три основные силы, которые измеряются в кгс или в Н:

1) Сила тяги, , кгс.

Источником является локомотив, сила управляемая и всегда направлена в сторону движения поезда, т.е. принимается со знаком «+».

2) Сила сопротивления, , кгс.

Возникают в результате взаимодействия с внешней средой. Сила является неуправляемой, но воздействовать на нее можно. Может быть как положительной («+»), так и отрицательной («‑»).

3) Сила торможения , кгс.

Источником являются тормозные устройства локомотива и вагонов. Сила управляемая, действует против движения поезда и принимается со знаком «‑».

Силы, приложенные к поезду в целом называют полными, измеряют в «кгс» и обозначают: , , .

Силы, отнесенные к единице веса поезда, называют удельными, измеряются в «кгс/т», обозначаются , , , и определяют:

, кгс/т,	(1.1)
, кгс/т,	(1.2)
, кгс/т.	(1.3)

В различных режимах движения поезда на него действуют разные силы. Сумма всех сил, действующих на поезд, называется равнодействующей силой, , кгс.

В зависимости от соотношения сил, действующих на поезд, различают следующие режимы движения поезда.

1) режим тяги:

(или )

где , – соответственно общее полное и удельное сопротивление движению поезда.

2) режим холостого хода:

(или ),

где , – соответственно основное полное и удельное сопротивление движению поезда в режиме холостого хода.

3) режим торможения:

(или )

В зависимости от знака равнодействующей движения сил, зависит характер движения поезда:

- при R > 0 – ускоренное движение;

- при R < 0 – замедленное;

- при R = 0 – равномерное.