CC BY
20
УДК 551.506.9
САЦЮК А.В., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Анализ влияния воздушных масс на затраты энергии сортировочной станции
Satsuk A.V, Senior Lecturer (DIRT)
Analysis of the influence of air masses on energy costs yard
Введение
Одной из главных проблем на сортировочной станции является вопросы энергосбережения. При этом основным потребителем электрической энергии является компрессорная установка. Известно, что ее работа напрямую зависит от технологического процесса на станции. Вследствие этого, во многих трудах ученых, было рассмотрено множество факторов технологического процесса влияющих на электрические затраты системы: вес и тип вагонов, скорость роспуска, назначение вагона,
технологические работы на станции и т.д. Однако, вопросы влияния воздушных масс, на затраты электрической энергии сортировочной станции представлены не достаточно глубоко.
В статье предлагается рассмотреть детально влияния этого фактора на технологический процесс на станции, а как следствие на энергозатраты в целом.
Анализ публикаций
Как установлено в статье [1], основным фактором, влияющим на затраты электроэнергии сортировочной станции (СС), является технологический процесс -роспуск вагонов. В свою очередь, на процесс роспуска вагонов воздействуют другие факторы: количество вагонов, их тип и вес, метеорологические условия (ветер, осадки, температура).
В работе [2] рассмотрено комплексное воздействие этих параметров на суммарный показатель затраченной энергии при роспуске состава. Однако метеорологический фактор представлен не достаточно полно.
Более детально влияние ветра на движущийся вагон было рассмотрено в [3]. Так, в уравнении, которое определяло сопротивления отцепа при скатывании была введена величина - дополнительное удельное сопротивление воздушной среды. Оно учитывало угол и силу ветра.
Влияния воздушных масс на движущийся объект более углубленно изучается в аэронавигации. Так, в работах [4, 5] подробно рассмотрены влияния угла и силы ветра, в зависимости от маршрута движения и скорости самолета. Изложенные принципы в [5] могут быть применены и в случае скатывания вагона по маршруту с горба горки.
Цель работы
Основной целью данной работы является: анализ влияния ветра на процесс скатывания вагона с горба горки по пути следования; разработка математической модели зависимости скорости скатывания вагона от силы и направления ветра; разработка математической модели зависимости затрат энергии от силы и направления ветра.
Основная часть
Известно, что воздушные массы постоянно движутся относительно земной поверхности в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Горизонтальное движение воздушных масс называется ветром [6]. Ветер характеризуется двумя параметрами, которые поддаются метеорологическому прогнозу: скоростью и направлением.
Существует два понятия о направлении ветра: навигационное и метеорологическое. Навигационным
направлением ветра (НВ) называется угол, заключенный между северным
направлением магнитного меридиана и направлением в точку, куда дует ветер [4]. Отсчитывается оно от северного
направления магнитного меридиана по часовой стрелке от 0 до 360° (рис. 1).
Метеорологическим направлением ветра называется угол, заключенный между северным направлением меридиана и направлением из точки, откуда дует ветер. Обычно на метеостанции отсчитывают метеорологическое направление ветра относительно северного направления истинного меридиана, т. е. угол (рис. 1).
Для навигации подвижных единиц наземного транспорта используют метеорологическое направление ветра.
Скорость ветра Увет называется скорость движения воздушных масс относительно земной поверхности. Скорость ветра удобно измерять в метрах в секунду.
Рис. 1. Навигационное и метеорологическое направление ветра.
Рассмотрим воздействия выше перечисленных параметров на скорость роспуска отцепа скатывающегося с горба горки по маршруту.
Вагон перемещается со скоростью, заданной его энергетической высотой, в направлении своей продольной оси [2].
Одновременно под действием ветра он перемещается вместе с воздушной массой в направлении и со скоростью ее движения. В результате, его движение относительно поверхности будет происходить по равнодействующей, построенной на слагаемых скоростях
отцепа и ветра. Таким образом, при скатывании с боковым ветром векторы воздушного усилия, путевой скорости и скорости ветра образуют треугольник (рис. 2), который назовем треугольником скоростей. Каждый вектор характеризуется направлением и величиной. Стоит заметить, что результирующая скорость скатывания зависит от типа вагона и его весовой характеристики.
Рассмотрим детально диаграмму (рис.2) и введем некоторые понятия.
Вектор путевой скорости
V пут (м/с), определяет направление и скорость движения вагона относительно земной поверхности. Его направление определяется путевым углом <р (град), а величина — значением путевой скорости Кут (м/с).
Вектор скорости ветра Vвem(м/c)f определяет направление и скорость
движения воздушной массы
относительно земной поверхности. Его направление определяется
направлением ветра срвет (град), а величина — значением его скорости V. (м/с).
Вектор скорректированной
скорости Vскор (м/с), определяет скорость движения вагона под действием воздушных масс. Его направление определяется маршрутом отцепа и направлением ветра, а величина — скоростью ветра и скоростью отцепа. Вектор
скорректированной скорости образуется суммой вектора ветра и вектора путевой
скорости. Vскор - Vвет + Vпут . ЭТО результирующий вектор скорости, который воздействует на отцеп и определяет его ускорение или замедление.
Рис. 2. Треугольник скоростей и его элементы
Угол сноса (рсн - угол между вектором фактической скорости отцепа V Пут и вектором скорректированной
скорости VСкор. Отсчитывается от продольной оси маршрута до вектора
скорректированной скорости вправо со знаком плюс и влево со знаком минус.
Угол ветра фвет - угол, заключенный между фактической линией пути и метеорологическим направлением ветра. Отсчитывается от линии пути до направления ветра по ходу часовой стрелки от 0 до 360°.
Магнитный путевой углом (рпут -
угол, заключенный между северным направлением магнитного меридиана и линией фактического пути.
Отсчитывается от северного направления магнитного меридиана до линии пути по ходу часовой стрелки от 0 до 360°.
Между элементами навигационного треугольника скоростей существует следующая зависимость:
Г—=КтшСО 5(<Реет); (1)
Уыор = Увет ); (2)
cpeem=d± 180°-^, (3)
Vc„op = V^ ■ cosispj, 9at = arccos ^, (4)
скор
Зависимость угла сноса и результирующей скорости от путевой скорости.
Из выражения (2) видно, что при неизменном ветре
(Veem = const ,фвет = const) и направлении движения отцепа (фпут - const), результирующая скорость V изменяется соответственно изменению путевой скорости V , то есть с
увеличением путевой скорости результирующая скорость становится больше, а с уменьшением — меньше (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость угла сноса и результирующей скорости от изменения скорости
отцепа.
В этом случае изменение скорости скатывания отцепа вызывает
пропорциональное изменение вектора скорректированной скорости.
Пропорциональность этого
подтверждается в выражении (2), если записать его с учетом неизменных величин
V™°P = V*rn ■ c°s(%«J + (V^ + AVnJ™) * c°s(^J > гДе V« = const,
<Peem=COnSt = const .
Угол сноса с возрастанием скорости отцепа уменьшается, а с ее уменьшением — увеличивается (4).
Зависимость угла сноса и результирующей скорости от скорости ветра.
При постоянной путевой скорости (= const) и маршруте скатывании
(фщт = const) с увеличением скорости
ветра угол сноса увеличивается, а при ее уменьшении - уменьшается (рис. 4а). Результирующая скорость при попутном и попутно-боковом ветре с изменением скорости ветра изменяется так же, как и угол сноса. При встречном и встречно-боковом ветре с увеличением скорости ветра результирующая скорость уменьшается, а с уменьшением -увеличивается.
Аналитически запись
результирующего вектора скорости в зависимости от изменения силы ветра имеет вид
Рис. 4 Зависимость угла сноса и результирующей скорости отцепа от изменения скорости ветра: а- при попутно- боковом; б - при встречно боковом ветре.
V«* = Кет ■ С™(<Рвет + А<Р«ет) + Кут ' ™<<Рпут)
где, ^ = см ,фпут = ст^.
Зависимость угла сноса и результирующей скорости от угла ветра.
Угол ветра на протяжении скатывания отцепа может менять свое значение. Его величина изменяется как вследствие изменения направления ветра, так и вследствие изменения направления движения вагона по маршруту сортировочной станции. Отложим в определенном масштабе вектор путевой скорости (рис. 5). Из конца этого вектора радиусом, равным скорости ветра в том же масштабе, опишем окружность. Если перемещать вектор ветра по ходу часовой стрелки, то угол ветра будет изменяться.
Тогда угол сноса и результирующая скорость будут зависеть от угла ветра следующим образом:
1. При (рвет=0° (ветер попутный) т = 0°, V =V + V ;
ген ' скор вет пут '
2. При увеличении угла ветра от О до 90° угол сноса увеличивается, а скорректированная скорость уменьшатся;
3. При <рвет=90° (ветер боковой)
угол сноса максимальный, а скорректированная скорость примерно равна путевой;
4. При увеличении угла ветра от 90 до 180°, угол сноса и скорректированная скорость уменьшаются;
5. При (рвет —180° (ветер
встречный) (рсн =0°, a V^ = Vnym - Vm ;
6. При увеличении угла ветра от 180 до 270° угол сноса и путевая скорость увеличиваются.
7. При срвет = 270° (ветер боковой)
угол сноса максимальный, а путевая скорость примерно равна воздушной.
8. При увеличении угла ветра от 270 до 360° угол сноса уменьшается, а путевая скорость увеличивается.
Фвет 270 (
Фарт =180
Ф
7сн.макс
Фвет 90
Ф
7сн.макс
Рис. 5. Зависимость угла сноса и результирующей скорости отцепа от угла ветра.
Сортировочные горки имеют неизменную направленность спускной части, а отклонения на путь приема сортировочной станции имеют не большой угол съезда (рсзд. Этот угол лежит между продольной осью спускной части и осью пути отклонения на путь приема. Определяется он крутизной стрелки и количеством путей приема.
Рассмотрим процесс спуска хорошего «бегуна» с горба горки на крайний боковой путь. Для станции
ч
А
Ясиноватая восточная угол съезда на этот путь (рсзд = 11° (рис. 6). Заметим, что
<рсзд является, частным случаем вектора
пути <рпут. Поэтому выражение
результирующей скорости отцепа движущегося по пути отклонения будет иметь вид
У^р = увет Упут
Рис. 6. Влияния ветра на скатывания отцепа по маршруту А-Б-В-Г
На скатывающийся вагон действует попутно-боковой ветер. Его скорость и угол на протяжении всего маршрута остаются постоянными.
На начальном этапе (точка А)
скорость вагона равна Ущт ,
результирующая скорость равна ¥СкоР. Хорошие ходовые характеристики отцепа и ветер способствуют увеличению скорости скатывания (точка Б)
У^р = Увет ■ СОБ^)+(Упут + АУ^) • совС^).
В точке В, после торможения, вагон катится с уменьшенной скоростью по пути отклонения. Поэтому его путевой вектор скорости будет иметь вид:
= (У^-ЬУпут) • Ы^ф^+Ф^),
а результирующий вектор скорости
Заметим, что если бы вагон скатывался на левый крайний путь, его угол съезда <рсзд записывался бы с минусом.
В точке Г вагон теряет свою энергию (путевая скорость снизилась). Силы ветра недостаточно, чтобы поддерживать скатывание хорошего «бегуна». Угол сноса возрос, тем самым вектор ^^ «У„ет и оказывает меньше влияния на скоростные характеристики вагона. Вагон начинает останавливаться.
Уравнения вектора
результирующей скорости вагона в точке Г имеет вид
: Кеп. ■ ЧОВСПш.) + (Кут - А^) • СОКФпуш) ' У —АУ «0
пут пут
Просуммируем между собой каждый путевой вектор скорости и
скорректированный вектор скорости (рис. 7).
Рис. 7 Сумма векторных скоростей скатывающегося вагона по маршруту А-Б-В-Г
Верхняя сумма ^Упут является
векторной диаграммой скоростей отцепа, скатывающегося по маршруту А-Б-В-Г без учета ветра.
Нижняя
^ ^ V скор
является
назовем
отклонения
обусловлен протяжении
сумма
векторной диаграммой
скорректированной скорости
скатывающегося отцепа по маршруту А-Б-В-Г, то есть скорости отцепа с учетом влияния ветра.
Разность между этими векторами, суммарным вектором
^Еоткл , КОТОрЫЙ
влиянием ветра на всего маршрута. Этот вектор по свое величине равен сумме действующих значений ветра, но противоположный по направлению. Иначе говоря, это суммарная энергия, которую необходимо передать вагону для компенсации влияния воздушных масс
~Еоткл — У^вет СО&((Рвет) .
В этом выражении, не учтены весогабаритные показатели вагона, которые определяют парусность и инерцию при воздействии ветра. Поэтому, для оценки энергетических
затрат на сортировочной горке воспользуемся выражением [5]
, гиС-й.. 2
±м? =-х-V •
ф (273 + г° )т скор
+м? = -
— ср
]=2
(273 +)£ тг
(5)
где ^
сопротивление среды
(ветер), которое влияет на движение вагона или отцепа;
Сх - коэффициент обтекаемости
одиночных вагонов или первого вагона в отцепе (табличное значение);
Схх/ - коэффициент обтекаемости
вагонов в отцепе (кроме первого вагона) (табличное значение);
й, -площадь поперечного
сечения соответственно одиночного или первого вагона в отцепе и последующих вагонов в отцепе, м2 (табличное значение);
т - масса вагона, т;
п
^ т1 - масса, отцепа состоящего из
/=1
п вагонов, т;
2
/=1
ветре скоростью Ускор, необходимо затратить энергии У^9 где к -
комплексное значение веса-габаритных параметров вагона или отцепа.
Знак «-» или «+» перед выражением (5) означает какую реакцию оказывает ветер на отцеп: «+» - вагон ускоряется под действием попутных воздушных масс; «-»- вагон замедляется под действием встречных воздушных масс (рис. 8).
(р =0°
твет
to - расчетная температура воздуха, С;
У жар - скорректированная скорость отцепа, м/с.
Выражение (5) представляет собой затраты энергии при скатывании вагона с весом т на преодоление влияния метеорологических условий
окружающей среды.
Как видно зависимость энергии
wcp от У скор пропорционально -квадратичная. То есть, при попутном
Рис. 8. Правила определения знака wcp
Построим трехмерную плоскость (рис. 9), для крытого вагона массой 65т и wcp= /(Увем ^вет) зависимости затрат температурой окружающей среды 25 С.. энергии от силы и направления ветра
Рис. 9. График функции ^ = f увет^вет)
Из графика видно, что при силе ветра Кет = 20м/с и угле <рвет=30°(попугпо-боковой ветер) крытому вагону весом 65 т необходимо сообщить энергию 3,955 м. эн. Выс. (39,55кДж/кН). Эта энергия направлена на погашения кинетической энергии вагона
К=К+™СР>
где ^ - общее сопротивление движению скатывающегося вагона, й0 -
энергия, затраченная на торможение вагона, в безветренную погоду.
При силе ветра Увет = 20л* /си угле
Фвет - 210° (встречно - боковой), затраты энергии ^ = -3,9551 (рис. 5). В этом случае
К=К~™ср'
Вывод
Анализ влияния ветра на процесс скатывания отцепа с горба горки показал, что параметры ветра: скорость и его направление в значительной мере влияют на скоростные показатели вагона. Поэтому в работе была разработана математическая модель влияния ветра на скорость скатывания отцепа и модель затрат энергии на торможения отцепа, на который воздействует ветер. Эта модель может быть использована при построении системы автоматического регулирования скоростью скатывающихся отцепов на сортировочной горке. Кроме того, опираясь на данные натурного листа и метеорологические данные, такие модели позволяют прогнозировать затраты электроэнергии на сортировочной горке.
Список литературы:
1. Сацюк О. В. Анал1з залежноел електроспоживання компресорно! установки вщ кшькоси оброблених вагошв на сортувальнш прщ / О.В. Сацюк, В.Й. Поддубняк, М.М. Чепцов // Зб1рник наукових праць. - 2012. - № 29. - С.85-88.
2. Сацюк О.В. Прогнозне динашчне моделювання енергетичних витрат при розформуванш рухомого складу на сортувальнш прщ / О.В. Сацюк // Зб1рник наукових праць. -2012. - №31. - С.42-47.
3. Правдин Н.В. Проектирование железнодорожных станций и узлов. Часть 1/ Н.В. Правдин, Т.С. Банек, В.Я. Негрей. -Минск: «Вышэйшая школа», 1984. - 288с.
4. В.Ф. Шмелев, Планеровождение / В.Ф. Шмелев. - Москва: ордена «Знак почета», издательство ДОСААФ СССР, 1977. -34с.
5. Ю.Н. Сарайский, И.И. Алешков. Аэронавигация. Часть 1. Основы навигации и применение геотехнических средств / учебное пособие. - Санкт-Петербург, 2010. - 307с.
6. С.П. Хромов, М.А. Петросянц. Метеорология и климатология /
классический университетский учебник / С.П. Хромов, М.А. Петросянц. - Москва: Московский государственный университет им. Ломоносова, 2006. - 569с.
Аннотации:
В статье детально рассмотрено влияния воздушных масс на скатывания отцепа с горба горки при роспуске состава. Основу модели воздействия ветра на движущийся объект составляет принципы аэронавигации. На базе этого разработана математическая модель влияния направления и силы ветра на энергетические затраты сортировочной горки.
Ключевые слова: влияния ветра, сортировочная горка, сортировочная станция, компрессорная установка, энергозатраты, частотное управление
The article discussed in detail the influence of air masses in the rolling hills unhook a hump at the dissolution of the composition. The basis of the model of the wind effects on moving object is the principles of air navigation. On the basis of a mathematical model of the effect of wind direction and strength on energy costs hump.
Keywords: wind effect, hump yard, marshalling yard, the compressor installation, energy consumption, frequency control.
УДК 625.032.434
ТРУНАЕВ A.M., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта),
ЮРЧЕНКО Д.Р., студент 5-АТ (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Анализ датчиков вибрации для определения колебаний железнодорожного рельса
Trunaev A.M., Senior Lecturer (DIRT) Yurchenko D.R., student of 5-AT (DIRT)
Analysis of the vibration sensors for a railway rail vibrations
Введение является колесная пара, движущаяся по
неровностям пути или имеющая Источником многих динамических неровности на поверхности катания колес, возмущений в пути и подвижном составе Кроме того возмущения могут быть
