К исследованию процесса движения высокоскоростных поездов в кривых участках железных дорог Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.42:629.4.054

О. С. Аблялимов

К ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЦЕССА ДВИЖЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПОЕЗДОВ В КРИВЫХ УЧАСТКАХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Представлены результаты исследований по изучению условий движения высокоскоростных поездов с активной и пассивной системами наклона кузовов вагонов в кривых участках железнодорожного пути с учетом организации движения и эксплуатации электропоезда «Afrosiyob » на участке Ташкент - Самарканд Узбекской высокоскоростной железной дороги.

Настоящая работа выполнена на основании договора о взаимном сотрудничестве между Дирекцией по организации движения и эксплуатации высокоскоростных пассажирских поездов, Управлением по эксплуатации локомотивов ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» и кафедрой «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ТашИИТа, согласно которому проводится цикл теоретических и экспериментальных исследований по изучению и обоснованию параметров (показателей) движения, а также ремонтного производства высокоскоростного подвижного состава и оценке энергетической эффективности использования парка высокоскоростных пассажирских поездов железнодорожной компании в условиях эксплуатации, и является частью упомянутых выше исследований.

Одним из приоритетов комплексной программы развития и модернизации железнодорожной отрасли Узбекистана на 2011 - 2015 гг., связанной с перевозками пассажиров и народнохозяйственных грузов, следует считать обустройство инфраструктуры и введение в эксплуатацию высокоскоростной железнодорожной линии Ташкент - Самарканд с последующим осуществлением электрификации железнодорожных участков до городов Карши и Бухара.

В этой связи Концепция развития скоростного и высокоскоростного движения пассажирских поездов на железных дорогах Узбекистана является базовой составляющей транспортной политики железнодорожной отрасли на ближайшую и дальнейшую долгосрочную перспективу, которая связана с разработкой разнообразных социально-экономических программ, мероприятий и рекомендаций по организации и последующему внедрению этого вида движения в различные регионы нашей страны. Четыре этапа упомянутой Концепции охватывают период с 2011 по 2035 г. [1], в течение которого предусмотрено организовать движение высокоскоростных пассажирских поездов на участках Ташкент - Самарканд (первый этап в настоящее время реализован), Ташкент - Карши (второй этап) и Ташкент - Бухара (третий этап), а также на четвертом этапе организовать скоростное движение этих поездов на участках Ташкент - Пап - Андижан и Навои - Ургенч, Нукус.

Первый этап Концепции развития скоростного и высокоскоростного движения пассажирских поездов на железных дорогах Узбекистана был сопряжен с подготовкой высокоскоростного движения на участке Ташкент - Самарканд и последующим пуском в эксплуатацию электропоезда «Afrosiyob» на этом участке.

Высокоскоростной электропоезд «Afrosiyob» [2], являясь аналогом испанского электропоезда «Talgo-250», представляет собой состав постоянного формирования с фактически электровозной тягой, который состоит из двух головных моторных, восьми пассажирских вагонов и вагона-ресторана.

Силовые моторные вагоны двухсистемные, т. е. с напряжением контактной сети в 25,0 кВ (переменного тока) и 3,0 кВ (постоянного тока). В процессе работы под контактной сетью переменного тока мощность каждого силового моторного вагона составляет 2400 кВт, а под контактной сетью постоянного тока - 2000 кВт. Масса силового моторного вагона равна 72 т. Силовые моторные вагоны оборудованы асинхронными тяговыми электродвигателями и преобразователями с /GBT-транзисторами с обратным напряжением в 6,5 кВ. Применена типовая для двухсистемных электровозов «Bombardier» схема преобразования энергии.

В числе восьми пассажирских вагонов - два вагона типа VIP, два вагона бизнес-класса и четыре вагона экономического класса. Общая вместимость высокоскоростного электропоезда «Afrosiyob» составляет 215 человек, а максимальная скорость движения - 250 км/ч. На первоначальном этапе расстояние между Ташкентом и Самаркандом в 344 км указанный электропоезд преодолевал за 2 ч 35 мин.

Настоящие исследования посвящены изучению условий движения высокоскоростного подвижного состава с разными системами наклона кузовов вагонов в кривых участках железнодорожного пути различного радиуса кривизны.

За прототип высокоскоростного пассажирского поезда с пассивной системой наклона кузовов вагонов принимаем узбекский электропоезд «Afrosiyob», который в настоящее время уже достаточно успешно эксплуатируется на участке Ташкент - Самарканд, в дальнейшем планируется его эксплуатация на других участках железных дорог Узбекистана, а с активной системой - это, например, электропоезд серии «Allegro» российских железных дорог.

Сейчас общая протяженность действующей высокоскоростной железнодорожной линии Ташкент - Самарканд составляет 328 км, где для обоих направ-лений высокоскоростное движение пассажирских поездов (электропоезда «Afrosiyob») охватывает приблизительно 120 км железнодорожного пути, а на оставшемся, но реконструированном под высокоскоростное движение организован смешанный перевозочный процесс - электропоезда «Af-rosiyob», грузовые, пассажирские и пригородные поезда с локомотивами в различном секционном исполнении на электрической (электровозы серий «Uzbekiston», ВЛ80 и ВЛ60К) и дизельной (тепловозы серий ТЭ10М, UzTE16M и ТЭП70 БС) тяге, в том числе и мотор-вагонной (пригородное движение).

Ввод в эксплуатацию нового высокоскоростного участка протяженностью в 20 км (Гал-ляарал - Рзд. № 19) позволил электропоезду «Afrosiyob» по сравнению с начальным этапом его эксплуатации сократить время в пути следования между городами Ташкент и Самарканд на 25 мин [3, 5] и повысить среднюю скорость движения приблизительно на 13,69 %. В настоящее время проследование перегонов железнодорожного участка Ташкент - Самарканд высокоскоростным электропоездом «.Afrosiyob» составляет 2 ч 10 мин.

Таблица 1 - Время хода и скорость движения электропоезда «Afrosiyob» на участке Ташкент - Самарканд

Перегоны Рассстояние, км Время хода, мин Скорость движения, км/ч

Ташкент - Рахимова 8,4 5,0 180/130

Рахимова - Сырдарьинская 71,8 29,0 180/170

Сырдарьинская - Гулистан 40,1 15,0 180/170

Гулистан - Даштабад 52,7 18,0 250/220

Даштабад - Джизак 59,4 18,0 250/220

Джизак - Галляарал 25,1 14,0 140/140 - 150

Галляарал - Богарное 25,6 12,0* 140/130*

Богарное - Булунгур 29,4 15,0* 140/125*

Галляарал - Булунгур 39,0 16,0 250/170

Булунгур - Самарканд 31,5 15,0 160/160

Ташкент - Самарканд 344*/328 155*/130 133,16*/151,38*

На основании данных исследований [3, 5] в таблице 1 (индексом звездочка * обозначены значения на первоначальном этапе эксплуатации электропоезда «Afrosiyob»») и на рисунке 1, соответственно, представлены расчетные (проектные), фактические значения наибольших допускаемых скоростей движения и графиковое время проследования высокоскоростного электропоезда «Afrosiyob» по условным перегонам и раздельным пунктам участка Ташкент -Самарканд, а также приведены диаграммы их распределения там, которые подтверждают корректность изложенных выше доводов (промежуточные выводы).

Другим резервом сокращения времени хода высокоскоростного электропоезда «Afrosiyob» в пути следования является дальнейшее повышение его скорости движения

вплоть до конструкционной V = 250 км/ч за счет увеличения радиуса кривых участков железнодорожного пути, особенно малого радиуса кривизны. Последние, на наш взгляд, являются основными (базовыми) составляющими технико-экономических параметров высокоскоростной железнодорожной линии Ташкент - Самарканд. Общая развернутая длина всех кривых главных путей участка Ташкент - Самарканд составляет около 102 км [1], приблизительно 82 км из которых [5] приходится на круговые кривые с малым радиусом кривизны в 1 км 250 м, а оставшиеся 20 км упомянутой выше развернутой длины - это круговые кривые с радиусами кривизны в три тысячи(~ 15,01%) и более (~ 4,93%) метров.

Рисунок 1 - Параметры проследования перегонов участка Ташкент - Самарканд

высокоскоростным электропоездом «Afrosiyob»: ^^^Я и I I - расчетные и фактические значения наибольших допускаемых скоростей движения; 0 0 - поперегонное время хода

электропоезда «. \frosiyob ». — — ^ - то же на первоначальном этапе

Расчеты на основании рекомендаций статьи [4] показывают, что скорость движения высокоскоростного электропоезда «Afrosiyob» в кривой с радиусом Якр ~ 1200 м составляет 200 км/ч, что подтверждают данные работы [7], а увеличение радиуса кривой с 1250 м до 500 - 525 м позволит обеспечить движение высокоскоростных электропоездов «Afrosiyob» в кривых участках железнодорожного пути с таким радиусом кривизны со скоростью движения в 250 км/ч.

В исследовании [6], опираясь на данные работы [7], в результате аппроксимации уже известных значений скоростей движения для диапазона изменения радиусов кривой от 250 до 1750 м [5] нами были получены значения скорости движения высокоскоростных поездов в кривых участках железнодорожного пути с радиусами кривизны, в несколько раз превышающими последние при различных системах наклона кузовов вагонов - активной, пассивной и без систем наклона, характер изменения которых для каждой из рассматриваемых упомянутых систем описывается степенной функцией, позволяющей с довольно высокой точностью определять численные значения этих скоростей для любого ,-го радиуса Якр i кривой по формулам, которые вместе с достаточной величиной достоверности аппроксимации Я2, равной 0,9998.. .0,9999 (необходимое условие достоверности - Я2 > 0,8), приведены в работе [6].

Процесс движения высокоскоростных поездов в кривых участках железных дорог будем анализировать по безразмерным величинам скорости движения V и радиусов кривой Якр ь т. е. по относительным параметрам движения высокоскоростных поездов в условиях их эксплуатации на кривых участках с радиусами кривизны от 250 до 1750 м.

Относительная скорость движения V определяется по выражению:

V = V, / V,

где V] - текущее значение скорости движения, км/ч;

V - значение скорости движения при радиусе кривой Я = 1750 м, км/ч.

(1)

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

Относительный радиус кривой Якр определяется по формуле:

R

кр

Якр i /RKp,

(2)

где Якр г - текущее значение радиуса кривой, м;

Якр - максимальное значение радиуса кривой, м. Якр = 1750 м.

Влияние разнообразных систем наклона кузовов вагонов на прохождение высокоскоростными поездами кривых различных радиуса кривизны и протяженности (длины) будем оценивать по критерию, которым является темп нарастания (изменения) относительной скорости движения высокоскоростных поездов, т. е. величина (параметр), равная отношению абсолютных скоростей движения между собой для систем с наклоняемыми (наклоном) и не-наклоняемыми (без наклона) кузовами вагонов.

Характер изменения скорости движения высокоскоростных поездов при различных системах наклона кузовов вагонов в зависимости от величины радиусов кривой в абсолютных и относительных единицах с учетом их средних значений приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Значения радиусов кривой и скоростей движения высокоскоростных поездов с различными системами наклона кузовов вагонов

Система наклона кузова вагона Абсолютная V и относительная V скорость движения Радиус кривой Якр1, м, относительный радиус кривой R крТ02

250 500 750 1000 1250 1500 1750

14,3 28,6 42,9 57,2 71,5 85,8 100

Без наклона VI, км/ч 74,3 110,4 135,5 157,9 175,2 191,1 208,9

V г102 35,5 52,8 64,8 75,6 83,8 91,5 100

Пассивная V2, км/ч 84,3 127,8 158,2 183,2 205,4 223,2 241,1

V 2Т02 35,0 53,0 65,6 76,3 85,2 92,6 100

Активная V?, км/ч 91,1 135,5 166,1 192,1 215,4 235,2 255,4

V 3Т02 35,7 53,0 65,0 75,2 84,3 92,1 100

Средние значения VсV, км/ч 83,2 124,6 153,3 177,7 198,7 216,5 235,1

V-102 35,4 52,9 65,1 75,7 84,4 92,1 100

Таблица 3 - Значения относительной скорости движения высокоскоростных поездов в кривых участках железнодорожного пути различного радиуса кривизны

Параметры движения высокоскоростных поездов с разными системами наклона

кузова вагонов в кривых с радиусами

Радиус постоянными изменяющимися по соотношению

кривой Якр i const Якр i+1 / Якр , i = 1. .6

Якр к м пассивная, активная, без наклона, пассивная, активная, средние зна-

V П V а V ,1 V й V 3 —сР чения V i

250 1,134 1,226 — — — —

500 1,157 1,227 1,486 1,516 1,487 1,496

750 1,167 1,226 1,227 1,238 1,226 1,230

1000 1,160 1,216 1,165 1,162 1,156 1,161

1250 1,172 1,229 1,109 1,117 1,121 1,116

1500 1,168 1,231 1,093 1,087 1,092 1,090

1750 1,154 1,222 1,091 1,080 1,086 1,086

Средние значения 1,163 1,225 1,195 1,200 1,195 1,197

Параметры высокоскоростных поездов с разными системами наклона кузовов вагонов в кривых с радиусами постоянными Якр i = const и изменяющимися по соотношению Якр i+i / Якр i (здесь i =1... 6 - номер радиуса кривой по порядку), при каждом последующем увеличении их на величину AR = 250 м приведены в таблице 3, а темп нарастания (изменения) относительной скорости движения высокоскоростных поездов в кривых различного радиуса показан на рисунке 2.

Рисунок 2 - Параметры относительной скорости движения высокоскоростных поездов в кривых участках железнодорожного пути

Изменения абсолютных, в том числе средней и усредненных относительных скоростей движения высокоскоростных поездов с разными системами наклона кузовов вагонов на участках различного радиуса кривизны, показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 - Динамика скорости движения высокоскоростных поездов на участках различного радиуса кривизны

Анализ результатов этой части исследований позволил установить следующее. Средние значения относительных скоростей движения высокоскоростных поездов при

пассивной и активной системах наклона кузовов вагонов составляет, соответственно: V °рП = = 1,163 и V °рА = 1,225, что достаточно хорошо согласуется с исследованиями [4 - 7], в которых при радиусе кривой Якр i ~ 707 м были получены аналогичные значения, т. е. V °рП =

= 1,165, а V срА = 1,225.

Активная система наклона кузовов вагонов по сравнению с пассивной в рассматриваемом диапазоне изменения радиусов кривизны когда R,„i =const, обеспечивает увеличение относительной скорости движения высокоскоростных поездов в интервале 4,82 - 8,11 %, а в случае, где кривые с радиусами изменяющейся кривизны, т. е. Якр ¿+i / Якр i ф const, значения относительной скорости движения последних приблизительно одинаковы для всех упомяну-

тых систем наклона и имеют тенденцию к снижению в среднем на 27,4 %, при увеличении радиуса кривой с 250 до 1750 м.

В последнем случае изменения радиуса кривой абсолютные значения скорости движения высокоскоростных поездов для всех рассматриваемых (анализируемых) систем наклона кузовов вагонов повышаются в среднем в 2,82 раза.

На высокоскоростных железных дорога Узбекистана, где скорость движения электропоездов «Afrosiyob» с пассивной системой наклона кузовов вагонов не будет превышать 250 км/ч, расходы на модернизацию (подготовка и изменение) путевой инфраструктуры потребует значительно меньшего вложения материальных ресурсов, чем для новых аналогичных линий, где современные высокоскоростные электропоезда могут достигать скорости движения 350 - 400 км /ч [2, 8].

Используя стандартную программу серии Microsoft Office Excel с целью определения параметров движения высокоскоростных поездов с активной и пассивной системами наклона кузовов вагонов в кривых участках железнодорожного пути, мы получили аналитические выражения (уравнения регрессии), позволяющие при достаточной величине достоверности аппроксимации R (необходимое условие достоверности: R2 > 0,8) производить точные вычисления значений абсолютной и относительной скорости движения таких поездов для любого i-го радиуса R^ i кривой в принятом диапазоне изменения последнего (R^ i = 250 - 1750 м), которые вместе с упомянутой величиной R2 приведены ниже. Для графиков, изображенных на рисунке 1: относительная скорость движения V А: участок 1 - 2:

V А = -0,0028 RL + 0,0107 R, + 1,2177

kpi

R2 = 0,9697;

kpi

участок 2 - 3:

V А = -0,0055 RL + 0,0625 R, + 1,054

kpi

R2 = 1,0000;

kpi

относительная скорость движения V П: участок 1 - 2:

V п = -0,0075 Rlpi + 0,0463 R,, + 1,095

R = 0,9987;

kpi

участок 2 - 3:

V П = -0,0065 Rkpi + 0,0693 + 0,0693

'kpi

R2 = 0,9908;

относительная скорость движения V :

V = 36,02 R

R2 = 0,9988. Для графиков, изображенных на рисунке 2: относительная скорость движения V

cp

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9) (10)

(11) (12)

Vi = -0,0265(Rm/R,)2 - 0,31(R;+1/R;) + 1,9786, R2 = 0,9541;

(13)

(14)

0.5294

V? = -0,0082(Яг+1/Яг)3 +0,1377(Ят/Яг)2 - 0,769(Я,+1/Я,) + 2,5422,

Я2 = 0,9901; относительная скорость движения V :

V = 0,3602 я05294,

Я2 = 0,9988;

абсолютная скорость движения V1:

Vl = 75,463 Я™, Я2 = 0,9989;

абсолютная скорость движения У2:

V2 = 86,279 ЯГ66, Я2 = 0,9978;

абсолютная скорость движения У3:

Vз = 92,508 Я0р5251, Я2 = 0,9991;

абсолютная скорость движения У,

ср-

Vср = 84,741 Ккр Я2 = 0,9987.

0,5291

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21) (22)

(23)

(24)

(25)

(26)

Из анализа уравнений регрессии (3) - (14) видно, что динамика параметров относитель-

ных скоростей движения (V п, ViP) у высокоскоростных поездов с активной и пассивной системами наклона кузовов вагонов при движении в кривых участках железнодорожного пути

описывается полиномиальной зависимостью второй или третьей (¥г?) степени, в то время как изменение абсолютных скоростей движения (^...Р3), включая относительную скорость V , характеризуется степенной функцией. Причем в принятом нами диапазоне изменения радиусов кривизны относительная погрешность расчетов упомянутых выше параметров составляет 0,08 - 0,87 %, что обеспечивает точность вычислений в 99,92 - 99,13 %.

Таким образом, полученные нами уравнения регрессии и параметры скоростей движения высокоскоростных поездов с разными системами наклона кузовов вагонов в кривых различного радиуса кривизны будут полезны специалистам железнодорожного транспорта, работа которых сопряжена с организацией движения и эксплуатацией высокоскоростного пассажирского подвижного состава на участках железных дорог, в том числе с перевозочным процессом электропоездов «А/го^^уоЬ» в условиях ГАЖК «Узбекистон темир йуллари», а также связана с разработкой рекомендаций и мероприятий по повышению эффективности использования этого вида электрического транспорта.

Список литературы

1. Ульджабаев, К. У. Развитие скоростного движения на железных дорогах Узбекистана [Текст] / К. У. Ульджабаев, В. К. Ярашова. - Т.: Экстремум Пресс, 2010. - 136 с.

2. Лувишис, А. Л. Высокоскоростные поезда на железных дорогах стран - членов ОСЖД [Текст] / А. Л. Лувишис / Бюллетень ОСЖД. - Варшава, 2012. - № 4. - С. 17 - 27.

3. Аблялимов, О. С. К вопросу организации высокоскоростного движения пассажирских поездов на участке Ташкент - Самарканд [Текст] / О. С. Аблялимов, О. М. Курбанов // Актуальные вопросы высокоскоростного движения / Ташкентский ин-т инж. ж.-д. трансп. -Ташкент, 2013. - С. 10 - 13.

4. Аблялимов, О. С. К путевой инфраструктуре высокоскоростных железных дорог [Текст] / О. С. Аблялимов, С. С. Ботирова / XI межвуз. науч.-практ. конф. «Молодой научный исследователь» / Ташкентский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Ташкент, 2013. - С. 43 - 45.

5. Аблялимов, О. С. К анализу скорости движения высокоскоростных поездов в кривых участках железнодорожного пути [Текст] / О. С. Аблялимов // Международная научно-практическая конференция «Транспорт-2013» / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. - Ростов-на-Дону, 2013. - С. 58 - 60.

6. Аблялимов, О. С. К исследованию высокоскоростного движения на железных дорогах Узбекистана [Текст] / О. С. Аблялимов, В. С. Кудряшов // Turdosh texnik o'kuv muassasalari ijodkor yoshlarining birinchi slyoti. -Ташкент: TADI, 2013. - С. 47 - 51.

7. Трофимович, В. В. Высокоскоростной электрический транспорт [Текст] / В. В. Трофимович / Дальневосточный гос. ун-т путей сообщения. - Хабаровск, 2008. - 100 с.

8. Аблялимов, О. С. О перспективах развития высокоскоростного железнодорожного транспорта на железных дорогах Узбекистана [Текст] / О. С. Аблялимов, В. С. Кудряшов // Актуальные вопросы высокоскоростного движения / Ташкентский ин-т инж. ж. -д. трансп. -Ташкент, 2013. - С. 28 - 32.

References

1. Ul'dzhabaev K. U., Iarashova V. K. Razvitie skorostnogo dvizheniia na zheleznykh dorogakh Uzbekistana (Development of high-speed railways in Uzbekistan). Tashkent: Ekstremum Press, 2010, 136 p.

2. Luvishis A. L. High-speed trains on the railways of the OSJD member countries. OSJD Bulletin [Vysokoskorostnye poezda na zheleznykh dorogakh stran-chlenov OSZhD]. Biulleten' OSZhD -OSJD Bulletin, 2012, no. 4, pp. 17 - 27.

3. Ablialimov O. S., Kurbanov O. M. To the organization of high-speed passenger trains on the Tashkent - Samarkand [K voprosu organizatsii vysokoskorostnogo dvizheniia passazhirskikh poezdov na uchastke Tashkent - Samarkand]. Aktual'nye voprosy vysokoskorostnogo dvizheniia -Topical issues of high-speed, 2013, pp. 10 - 13.

4. Ablialimov O. S., Botirova S. S. To track high-speed rail infrastructure [K putevoi infrastrukture vysokoskorostnykh zheleznykh dorog]. XI mezhvuzovskaia nauchno-prakticheskaia kon-ferentsiia «Molodoi nauchnyi issledovatel'» (XI Interuniversity scientific and practical conference «Young Researcher»). Tashkent, 2013, pp. 43 - 45.

5. Ablialimov O. S. To the analysis of the speed of high-speed trains in the curved sections of railway track [K analizu skorosti dvizheniia vysokoskorostnykh poezdov v krivykh uchastkakh zheleznodorozhnogo puti]. Mezhdunarodnaia nauchno-prakticheskaia konferentsiia «Transport -2013» (International Scientific and Practical Conference «Transport - 2013»). Rostov-na-Donu, 2013, pp. 58 - 60.

6. Ablialimov O. S., Kudriashov V. S. The investigation of high-speed railways in Uzbekistan [K issledovaniiu vysokoskorostnogo dvizheniia na zheleznykh dorogakh Uzbekistana]. Turdosh texnik o'kuv muassasalari ijodkor yoshlarining birinchi slyoti, 2013, pp. 47 - 51.

7. Trofimovich V. V. Vysokoskorostnoi elektricheskii transport [High-speed electric vehicles]. Khabarovsk, 2008, 100 p.

8. Ablialimov O. S., V. S. Kudriashov On the prospects of high-speed rail on the railways of Uzbekistan [O perspektivakh razvitiia vysokoskorostnogo zheleznodorozhnogo transporta na zheleznykh dorogakh Uzbekistana]. Aktual'nye voprosy vysokoskorostnogo dvizheniia - Topical issues of high-speed, 2013, pp. 28 - 32.