Анализ возможности применения в Украине подвижного состава с принудительным наклоном кузова вагонов при организации скоростного движения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК :656.027

А. П. ЗУБКО (Укрзашзниця), I. П. КОРЖЕНЕВИЧ, М. Б. КУРГАН, Д. М. КУРГАН (ДПТ)

АНАЛ1З МОЖЛИВОСТ1 ЗАСТОСУВАННЯ В УКРА1Н1 РУХОМОГО СКЛАДУ З ПРИМУСОВИМ НАХИЛОМ КУЗОВА ВАГОН1В ПРИ ОРГАШЗАЦП ШВИДК1СНОГО РУХУ

Проведений анатз i визначена сфера застосування рухомого складу з примусовим нахилом кузова ваготв.

Проведен анализ и установлена сфера применения подвижного состава с принудительным наклоном кузова вагонов.

The authors have carried out an analysis and established the sphere of application of rolling stock with forced inclination of the car bodies.

Вступ

Використання Pendolino в усьому свт можна пояснити його ушкальними характеристиками, що забезпечують збшьшення швидкостi в кривих у порiвняннi зi звичайними повдами з мшмаль-ним впливом на колда, безпеку руху, а з шшого боку, вимагають при впровадженш високошвид-юсного руху бшьш низьких витрат на модершза-щю iнфраструктури i гарантують високу ком-фортабельнiсть. За час експлуатаци поlздiв Pendolino виконаний пробiг бiльше 75 млн км, i вiдмовлень системи нахилу не було [1].

У раншх роботах з примусового нахилу ку-зовiв вагонiв у кривих були спроби досягти говно! компенсаци поперечних прискорень. Од-нак юпити показали, що частковий нахил з компенсащею на рiвнi 75 % близький до оптимального, тому що забезпечуе вщповщшсть мiж величиною прискорення i при цьому вщ-чуттями пасажирiв. Завдяки нахилу кузова вагона приблизно на 8° значно знижусться нега-тивний вплив сприйнятого пасажирами вiдцен-трового прискорення.

Рис. 1. По!зд 1з примусовим нахилом кузова

Постановка задачi i методика н виршення

Метою роботи е обгрунтування можливос-тей збiльшення швидкостi руху по!здiв типу

Pendolino на конкретних дшянках залiзниць Укра!ни, де впроваджуеться швидюсний рух.

Розглянемо тяговi характеристики Pendolino i близьких до нього за потужнютю електровозiв ЧС4 i ДС4 (200 км/год - проект), рис. 2.

Маса по'кзда 460 тонн

Швидкгсть, км/год

■ДС4

^0=5)

Pendolino -ж^0=10)

■ЧС4 ^0=15)

^0=0) W(i=30)

Рис. 2. Тягов1 характеристики

Швидюсть руху по!зда на елементi поздов-жнього профiлю достатньо! довжини залежить вiд типу локомотива, маси по!зда i загального опору руху. Для виявлення стало! швидкосп при рiзних типах локомотивiв скористаемося сполученими графшами ¥к (V) - тяговi характеристики локомотивiв i Ж (V) - кривi загального опору руху.

Загальний отр руху складаеться з основного опору руху Ж0 , опору вщ уклону Ж i опору вщ кривизни коли Жг [2]:

Ж = Ж0 + Жг + Жг.

и крив1 повного опору руху

Абсциса ¥к (V) i Ж (V) точки перетину

графшв вщповщае сталiй швидкостi руху по!з-да на уклош г. 1з рис. 2 можна зробити висно-вок, що швидкiсть 200 км/год може бути реат-зована на уклонах не бшьше 5.. .6 %о, швидюсть 160 км/год - на уклонах до 15 %о.

Зробимо анатз з позицiй плану i профшю залiзницi щодо можливостi реатзаци максимально! швидкосп на дiлянцi Ки!в-Гребшка-Полтава-Харкiв. На дiлянцi Ки!в-Гребiнка уклошв, бiльших за 6 %о ,- бшя 18 %, Гребшка-Полтава - 46 %, Полтава-Харюв - 15 % (рис. 3). Таким чином, друга дшянка е бшьш несприят-ливою для реалiзацi! швидюсного руху.

40

^ 35 30

I 25 > 20 15 ё 10

п

£ 5

Б

с

О

(О

со

«о

еу

О

1нтервали уклон1в, %о □ Ки'пв-Гребшка □ Греб1нка-Полтава □ Полтава-Харк1в

Рис. 3. Розподш уклошв на дшянках Кшв-Гребшка-Полтава-Харшв

0

В кругових кривих допустима швидюсть ви-значаеться за формулою [3]

V = Я |а нп +1\

(1),

де Я - юнуючий рaдiус криво!, м; \ - роз-

рахункове пiдвищення зовнiшньо! рейки, мм; анп - допустиме непогашене прискорення в круговш кривiй, м/с2; S - вщстань мiж осями головок рейок, 1600 мм; g - прискорення в> льного падшня, 9,81 м/с2.

У робот [3] наводиться графш зaлежностi допустимих значень поперечних прискорень вiд швидкостi руху, що узагальнюе дaнi за вс> ма критерiями (умови мiцностi колi! i безпеки руху для рiзних одиниць рухомого складу). Усi цi значення вище, а деякi iстотно вище допустимого непогашеного прискорення (0,7 м/с2 для швидкостей руху до 160 км/год i трохи менше для бiльш високих швидкостей). Таким чином, обмеження непогашеного прискорення до анп = 0,7 м/с2 е в основному критерiем комфо-ртабельност !зди пaсaжирiв, при виконaннi

якого критерп мiцностi, стiйкостi колi! i безпеки руху виконуються навиъ з деяким запасом.

При сумщеному русi вантажних i пасажирсь-ких по!здiв реaлiзувaти максимальне пiдвищення 150 мм не представляеться можливим. Для забез-печення мiцностi й стшкосп колi! i рухомого складу, безпеки руху й комфорту пaсaжирiв не-обхдно дотримуватись таких умов:

• неперевищення непогашених прискорень, спрямованих нaзовнi криво! при прохо-дженш нaйбiльш швидкого по!зда

а„

< [а]з

(2)

• обмеження непогашених прискорень, спрямованих усередину криво! при проходжен-ш вантажного по!зда з найменшою швидкiстю

а„

< [а]в

(3)

За умов (2) i (3) iснуючий рухомий склад може реaлiзувaти максимальну швидкiсть 160 км/год в кривих рaдiусом 1200... 1500 м, а швидюсть 200 км/год - в кривих рaдiусом 1900...2400 м при шдвищенш зовнiшньо! рейки 100...150 мм, рис. 4.

ДС4

д 240

о

а м к 200

и 1- .о 160

с 1-

у с о 120

о ч '2 д и 80

в

3 40

300

—о—-

600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000

Радiус криво!, м

■И=150 мм

■И=100 мм

■И=50 мм

Рис. 4. Допустима швидшсть руху рухомого складу без примусового нахилу кузова (непогашене прискорення 0,7 м/с2)

У сучасних екшажах, що при проходжен-ш криво! мають примусовий нахил усередину криво! на кут у допустима швидюсть збь льшуеться завдяки введенню в формулу (1) тдвищення

V = 3,6 Я

а.

§ (\ + ДА)

(4)

ДА =

п£ 8т у 180

що е додатковою компенсaцiею непогашеного прискорення, тобто

Розрахункове тдвищення , що входить до формул (1) i (4), залежить перш за все вщ характеристики вантажних по!здiв (тип локомотива, маса состава та ш.), пaрaметрiв кривих i величини уклотв на поздовжньому профЫ, рис. 5.

Маса по'1'зда 4500...5000 т

£ 1 И

х 2»

М

П

с

120

90

Р=600

Р=800

Р=1000

Р=1250

Р=1500

60

0 2 4 6 8

Максимальний уклон, %о

Рис. 5. Залежшсть розрахункового пвдвищення ввд рад1усу криво!' на р1зних уклонах поздовжнього проф1лю

Так, у кривих радiусом до 600...700 м i спокiйному профiлi (уклони до 2-3 %о) мак-симальне пiдвищення зовнiшньо! рейки може бути 150 мм, на бшьш крутих уклонах швидюсть вантажного по!зда знижуеться i для за-безпечення 0,3 м/с2 тдвищення слiд зменшу-

вати вiд 150 до 70.80 мм (на крутих уклонах близько 8-9 %о), рис. 5.

Завдяки примусовому нахилу кузова вагона (до 8°) знижуеться дiя на пасажирiв негативного центробiжного прискорення, а допустима швидюсть в кривих зростае, рис. 6.

Ре^оПпо

О

II *

I- -0

Ц» М

т 3

240 220 200 180 160 140 120 100 80

300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000

Рад1ус криво'', м

■И=150 мм

■И=100 мм

И=50 мм

Рис. 6. Допустима швидюсть руху рухомого складу з примусовим нахилом кузова (непагашене прискорення 1,8 м/с2)

Як випливае з рис. 6, рухомий склад з примусовим нахилом кузова вагошв може реатзу-вати максимальну швидюсть 160 км/год в кривих радiусом 700.800 м, швидюсть 200 км/год -в кривих радiусом 1150.1250 м при тдви-щенш зовшшньо! рейки 100.150 мм.

Таким чином, параметри кривих е основ-ним фактором, що впливае на рiвень макси-

мально! швидкосп. На рис. 7 показаний роз-подiл кривих на напрямку Ки!в-Харюв. З аналiзу наведених даних видно, що для ю-нуючого рухомого складу швидюсть до 160 км/год можуть обмежувати на дшянщ Ки!в-Гребiнка 5,4 % кривих, Гребшка-Полтава -25,2 %, Полтава-Харюв - 19,7 % вщ загаль-но! довжини дшянки.

On О

О S

в i

Б «

я р S о

2:| ►в Я

>2 Sc ТЗ я

S *

« S ^

о

о н

§ S

i в

Sc- g-

О P ft

w о н

S

о w

'-J

et «

о о я

Cd Я

В ft я я to

я ^ и

►о ti

о я

w О

Я <">

й я

я

Se g

H

з я §

s * i

to Qï ft

w S'gi G В H

О В s

•в я

ft Cd

« V, ^ " ы я w я

X

я w тз * В ё bî g

s ь

%

о о

ё

я

Cd

Sc

& 2 и я

ft ti

я ^ о тз

тз ^ to

НИ

Й Я

о о

s <<

U>

..I-S

о ^ Я

£ H

я

W «

PS Cd

е-

Cd

о

я

е-

Cd

я

в ft я

W

о

Cd

я

в

я № о.

та'

ft

»

I

о

я

о §

та ft я

я

PS

к ft я о

TI PS

в ft я

я

о я о та ft я

я о о to я я о

ё я

Cd

я

о

CTN

о V

о

о

CTN

о

£

я

о й s

ё s

со к

s ft

ё

i ft

►в &

S £

s S ^ ^

й о

2 о Я и

Р s ® g

р " S к

О р

К й р

►в о

ti я

ft о a

я tí

и -S. ^ w

S

о « » s

Ы ¿ w toi

^ л

oj S

u>'

ti a S s toi я о о H

w я S та

я о я

g

а »

Cd

о н р

я _ о

w та

а ^

<rt [*¡

ES. ^

та ""

о я

W Р

та w

Р ft

я

о

ti р

а №

В

о

О

ti о о и

Cd ft

& ° а я

Н "О й О р -в-S"

I 5

р "

я 3 № я

о\

S" №

о Я

я та

а о

Р Cd

я и та я

Cd

Я

X

m g ^

to Я Я

Р

3 »

н to

S

Я Ol

я ^

я и

и я

и to я

я р

"I

та ft о\

я'

я р

to я о 5

to я

ft to ft Я о

о р

я р

а.

^

Cd Я to я о

Е

о

я р

Яс

та

я о

та

О

и> я о

Ö

S' •§

я

Cd

я

X

я

а:

to

я

я р

Cd ^

та

ft Ol

я' я

à о

9

т

-8 я

Розподш кривих, %

OM-pbCDOOOM-P».

400...500

□

тз о о\

тз а> о\

ж fi) I

=1 О

ь ч

fi) л

fi) □

=1

0

Ь ч

fi) л fi)

1

X fi) тз

я'

>5000

200

о |_ 180

2

к 160

Ой 140

и

р

к 120

в

.0 100

1-

о

а 80

а

и

в 60

3

40

< * • ! • • • •• • • «

с\ •• о О 1 • с ш « 1 1 а л л •

Р т 1« •о в# > у

О « * о< >• 4 р 9 с > • • Щ > с ' V в

> ш V о ЧР и >ш 9 ►о 4 >о(

4 » 11 1 о о > .а». Ь

• Г

>ДС4 Pendoli

( по о г

50

100

Номери кривих

150

200

Рис. 8. Швидкосп руху в кривих для юнуючого рухомого складу i для РеМоИпо

50

45

>5 40

12

о о 35

30

25

Ш

3 20

£ 15

10

X

М 5

К 0

1 >

ч 4 К> а »

О » « А Л р * & ♦

\ л л л

ф ш Ф

4 Л 1 г <т •

< < ь— ш

50 100

Номери кривих

150

200

Рис. 9. Рiзниця швидкосп руху для рухомого складу з примусовим нахилом кузова вагонiв i iснуючого для кривих на дшянщ Гребiнка-Полтава

50

о4

>5 <и 40

1-

с

о

к 30

д

и

в

3 20

£

и X 10

м

¡51

♦ ♦ ♦ А ^

♦ ► ♦ > ♦

00°«0 ► ♦♦ < ► ♦

♦ ♦ < ► ♦

< --♦ мг <юо ♦ ♦ ♦ ♦- ♦- -о ♦ -♦—

500

1000 1500 2000 2500 Радiус криво!, м

3000

3500

4000

Рис. 10. Рiзниця швидкосп руху для рухомого складу з примусовим нахилом кузова вагошв i юнуючого в залежносп ввд радуса криво!

0

0

0

0

Вищенаведеш результати зробленi вiдносно параметрiв кривих без урахування гхнього вза-емного впливу. Так, наприклад, наявнiсть коротких перехщних кривих i крутих вiдводiв тдви-щення зовтшньо! рейки часто не дозволяють за-безпечити високу швидкiсть руху на дшянках коли, що складаються з розташованих пiдряд кривих.

На переваги рухомого складу типу РеМоНпо впливають не тiльки параметри профiлю i плану лши, але й схема розташування роздiльних

пунктiв (довжина перегонiв) i допустима швид-юсть руху поlздiв по станцiях. Щоб урахувати це, були виконанi тяговi розрахунки для таких варiантiв: рухомий склад з локомотивом ДС4 i Реп^Ппо (Утах = 200 км/год).

Результати розрахунюв для кожно! дiлянки наведенi на рис. 12-14. Анатз показав, що на дшянщ Кшв-Гребшка в найбiльшiй мiрi реалiзуeться максимальна швидкiсть руху 180.200 км/год, рис. 12.

о

О *

т 3 к

X

X

ф

3 .о с;

ю го

40,0

35,0

30,0

25,0

20,0

С.

(М= 0,000 3Ь2- 0,146 3Ь + 37,45

30 60 90 120

Пщвищення зовтшньо! рейки, мм

150

Рис. 11. Збшьшення швидкосл руху Pendolino у пор1внянш з рухомим складом без примусового нахилу кузова ( у вщсотках)

Кшв-Гребшка

0-20 21-40 41-60 61-80 81-100 101- 121- 141- 161- 181120 140 160 180 200

0

■ РепЬоПпо □ ДС4

Рис. 12. Використання швидкосп на дшянщ Кшв-Гребшка

На складнiй дiлянцi Гребшка-Полтава теоретично може бути встановлена швидюсть 200 км/год (див. рис.8), фактично ж з урахуван-ням сполучених кривих i наявностi обмежень на роздшьних пунктах максимальна швидюсть не перевищуе 180 км/год. Для рухомого складу з ДС4 реашзащя швидкосп 160.180 км/год ста-новить бшя 12 %, для Ре^оНпо - 22 %, рис. 13.

На дшянщ Полтава-Харюв реалiзуeться максимальна швидюсть руху 180.200 км/год для ДС4 - 4 i Реndolino - 13 %, рис. 14.

На рис. 15 наведет результати зростання вартосн пробiгу по!зда на рiзних за складнiстю донках напрямку Кшв-Харюв вiдносно юну-ючого рухомого складу з електровозом ДС3 (^тах = 160 км/год).

та я

о

СО

та о о H

Cd H

о о H

0

01 #

я о.

ti PS Cd w PS fcl ft

о о H

Cd

to' о

ё я о о H

я

и

и я'

"О

ф

3

о. о

3

о

ГО

Й X

о о

X

о m о

w

]Э

о

го

й X

о о

X

о m о

w

Зростання BapTOCTi npoôiry по'Гзда, %

ю

ю Ol 09 —i

о о О о

о о о о

та ф о> i ж ш

о ь

вЗ го ш

та

ф Ol i' ж ш

X о

та я

о

CÖ

я §

та я

о H

§

о H

я

PS

to

я {3.

3

о

п

PS

Cd ?

X S.

Cd

"О Ф 3 О. О

5'

о □

Ь

О

0\ OJ

Питома вага швидкостей у заданому ¡нтервал1, %

Питома вага швидкостей у заданому ¡нтервал1, %

M

о

о

о> о

00 о

о о

M

о

о

о> о

00 о

M

о о

о ь

si

го ш

х

ш

"Л

я

та я

о

CÖ

я §

та я

о H

я

ía

В »

я о о H

я ps

to

я с

та го

Ol

я'

Я

I

о

п

-о

<в

3

а о

5'

о □

й о í»

ho о

СО

о

о

ю о

о

О)

о

оо о

о о

N

о

о

О)

о

оо о

N

о о

та

л> а> х' ж fi) I

=1 о

Ь ч

fi) л fi)

Викладеш вище розрахунки були виконанi й на шших дiлянках мiжнародних транспортних коридорiв.

Висновки

1. Застосування рухомого складу з примусовим нахилом кузова вагошв дозволяе збшьшити швидкiсть проходження кривих у середньому на 25.30 %. Процент реалiзащ! швидкостi 180.200 км/год залежить вiд величини розраху-нкового пщвищення зовшшньо! рейки, яке ви-значаеться в основному вантажними по!здами.

2. Аналiз результатiв тягових розрахункiв на дшянках Ки!в-Гребшка-Полтава-Харюв показав, що дiлянки мають рiзнi параметри плану й профшю. Так, на першш дiлянцi рухомий склад з локомотивом ДС3 може реалiзувати швидкiсть 141... 160 км/год у середньому на 67 % в кожному напрямку, на другш i третiй дiлянках - на 21.24 %. Що стосуеться рухо-мого складу з примусовим нахилом кузова, то швидюсть 181.200 може бути реалiзована на 32 % довжини першо! дшянки i б^ 2 % -на другш i 15 % - на третш.

3. Наявнiсть сполучених кривих, коротких перехщних кривих i крутих вiдводiв пщвищен-ня зовшшньо! рейки часто не дозволяе забезпе-чити високу швидюсть руху на дшянках коли, i скорочення часу руху в середньому становить 10.15 %.

4. Витрати енергп i потрiбна потужнiсть пропорцiйнi швидкостi у другш i третiй степенi вiдповiдно. При шдвищенш швидкостi на 10 % аеродинамiчний опiр збiльшуеться на 20 %, а потрiбна потужнiсть на 30 %. Цим можна по-яснити той факт, що реалiзацiя бiльш високо! швидкостi Pendolino у порiвняннi з iснуючим рухомим складом веде до збшьшення мехашч-но! роботи локомотива i до росту енергн, яка споживаеться, i витрат на проб^ поlздiв.

5. Обмеження максимально! швидкосп обумовлено вiдхиленнями вщ норм утримання

кривих, зокрема перехщних, коли навт за умови задовiльно! геометрп вплив на пасажирiв не може бути компенсовано системою нахилу кузова. Навгть при русi по прямш плавнiсть ходу залежить вщ довжини хвилi нерiвностей шляху.

6. Застосування рухомого складу типу Pendolino призводить до збiльшення середньо! хо-дово! швидкостi на 7.22 % в залежносп вщ па-раметрiв плану i поздовжнього профiлю залiзницi.

7. Оскiльки основне обмеження максимально! швидкосп викликаеться пiдвищенням зовшшньо! рейки, яке, в свою чергу, обмежу-еться невисокою швидкiстю вантажних по!здiв, то суттевого ефекту вщ застосування рухомого складу з примусовим нахилом кузова можна досягти тшьки при зменшенш маси вантажних по!здiв i вiдповiдно швидкостi !х руху.

Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК

1. SIX CARS ELECTRIC PENDOLINO for Ukraine. Technical Description. Alstom. Savigliano. -2003. - 18 s.

2. Гребенюк П. Т. Тяговые расчеты: Справочник / П. Т. Гребенюк, А. Н. Долганов, А. И. Скворцова; Под ред. П. Т. Гребенюка. - М.: Транспорт, 1987. - 272 с.

3. Методика определения максимальных допускаемых скоростей движения в кривых при существующих параметрах их устройства на линиях, подготавливаемых к обращению поездов со скоростями до 200 км/ч с использованием лент путеизмерительных вагонов / ВНИИЖТ. - М., 1985. - 35 с.

4. Орловський А. М. Правила визначення шдвищення зовшшньо! рейки i встановлення допус-тимих швидкостей в кривих / А. М. Орловський, О. М. Патласов, В. В. Циганенко, Л. Я. Воробей-чик, В. I. Климов, М. Б. Курган; ЦП/0056; Затв. наказом Укрзалiзницi вщ 27.04.99 №124-Ц. - Д.: Арт-Прес, 1999. - 44 с.

Надшшла до редколегп 09.05.04.