CC BY
16
УДК 656.2
О равновесном уклоне станционного профиля В. И. Смирнов, С. А. Видюшенков
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Смирнов В. И., Видюшенков С. А. О равновесном уклоне станционного профиля // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. -Вып. 4. - С. 575-582. Б01: 10.20295/1815-588Х-2020-4-575-582
Аннотация
Цель: Определение крутизны уклона продольного профиля станционного пути, при которой возможен самопроизвольный уход незакрепленного подвижного состава. Методы: Применяется моделирование движения подвижного состава, основанное на аналитическом решении дифференциального уравнения равновесия вагонного отцепа. Отцеп на станционном пути рассматривается как тело на наклонной плоскости с массой, равной массе отцепа. Продольный профиль пути аппроксимируется кусочно-линейной прямой. Результаты: Показано, что наибольшую вероятность самопроизвольного ухода имеют хопперы за счет высокого коэффициента воздушного сопротивления. Для трехэлементного профиля допустимая скорость ветра, при которой возможен уход вагонов, остается сравнительно невысокой, - порядка 14 м/с, что по-прежнему оставляет актуальной проблему надежного закрепления вагонов на станции. Практическая значимость: Полученное решение позволяет проверить вероятность ухода незакрепленного подвижного состава под действием силы тяжести и воздействия ветровой нагрузки и уточнить нормы закрепления вагонов на станции. Предложенная расчетная схема дает возможность также определить силу, с которой будут действовать на тормозной упор движущиеся вагоны, если таковой установлен в конце участка пути.
Ключевые слова: Станционный путь, продольный профиль, уход вагонов, эквивалентный уклон.
Действующими Правилами технической эксплуатации железных дорог [1] для предотвращения самопроизвольного ухода вагонов или составов (без локомотива) рекомендуется трехэлементный вогнутый продольный профиль станционной площадки с уклонами, не превышающими 2,5 %%. Однако к настоящему времени на сети железных дорог эксплуатируется большое количество раздельных пунктов, продольный профиль которых значительно отличается от нормативного. Как следствие, по мере насыщения парка подвижного состава вагонами на роликовых подшипниках участились случаи самопроизвольного ухода вагонов со станционных путей. Очевидно, что, в силу экономических причин, переустройство таких раздельных пунктов в короткие сроки произвести невозможно.
В связи с этим при переустройстве раздельных пунктов допускается сохранять существующие уклоны и длины отдельных элементов в непере-устраиваемой части. Кроме того, как показывает анализ, частыми причинами самопроизвольного ухода вагонов являются искажения продольного профиля в процессе эксплуатации, а нормы на периодичность инструментальных проверок профиля часто не выполняются. Между тем на станциях встречаются случаи продольного профиля с выпуклой формой (горб), который весьма опасен с точки зрения ухода подвижного состава. В этих условиях повышаются требования к работникам, отвечающим за закрепление подвижного состава тормозными башмаками. Для уточнения норм закрепления прежде всего целесообразно проверить возможность ухода
незакрепленного подвижного состава под действием силы тяжести и воздействия ветровой нагрузки.
Влияние продольного профиля на скорость движения отцепов на сортировочных путях было изучено в [2-8]. В данной работе такой анализ сделан применительно к приемоотправочным путям. Теоретические основы приводимых ниже расчетов заложены М. В. Стрелковым [9].
Оценим влияние величины уклонов продольного профиля станционной площадки на возможность трогания с места незакрепленных вагонов. На рис. 1 приведен продольный профиль одного из пути эксплуатируемой промежуточной станции [10]. Как видно из рисунка, профиль пути имеет выпуклое очертание с точкой перелома посредине пути. Средний уклон пути / = 0,8 %о со спуском в сторону Б. Однако на станции произошел случай ухода состава в сторону А, так как с этой стороны располагались груженые вагоны, в то время как со стороны Б - порожние. Последнее говорит о том, что при укладке тормозных башмаков составителю необходимо учитывать соотношение масс частей состава, расположенных на различных элементах профиля.
Условие предотвращения самопроизвольного ухода незакрепленного состава (группы вагонов) со станционных путей можно определить из выражения [11]
где Ув - допустимая скорость ветра, направление которого совпадает с направлением возможного ухода вагонов (при боковом ветре следует учесть угол между направлением ветра и осью пути),
л, = g' о; - w -10-3).
(2)
В формуле (2) ¡э - эквивалентный уклон, равный
N
¿э = Е
Yv- К
¿V2 +106
vB
(1)
N - количество вагонов в составе; V - порядковый номер вагона; ¡^ - уклон элемента профиля в точке расположения центра тяжести v-го вагона, % ;
уу = / М; т - масса v-го вагона в составе, т; М- масса
V
всего состава, т,
N
М = I ту;
- средневзвешенное по массе основное удельное сопротивление движению вагонов при тро-гании с места, Н/кН, равное
N m - w w ;
V=1 M
Рис. 1. Продольный профиль станционного пути (уклон в %%/длина, м)
wv - удельное сопротивление движению при трогании с места у-го вагона, Н/кН; £ - ускорение силы тяжести с учетом инерции вращения колес состава, м/с2 [12],
£=_М .
М + 0,925 • п п - количество осей в составе; £ = 9,81 м/с2;
ц = с / М;
с - аэродинамический коэффициент, т/м,
с = 0.066^ » ^ ;
287(273 +10) ^ " *
Сху - коэффициент воздушного сопротивления у-го вагона; 8у - площадь поперечного сечения v-го вагона (мидель), м2; р - атмосферное давление, мм рт. ст.; 287 - удельная газовая постоянная для воздуха, Дж/(кг-К); 0,0667 - переводной коэффициент (масса вагона принимается в тоннах); 1° - температура воздуха, °С.
Условие (1) сформулировано для случая, когда состав располагается на прямом пути при отсутствии на нем (в пределах полезной длины) стрелочных переводов. В других случаях необходимо принимать во внимание сопротивление движению от стрелок и кривых.
Выражение для эквивалентного уклона приведено для случая так называемой вагонной модели состава, в которой каждый вагон рассматривается как материальная точка с массой, равной массе вагона и сосредоточенной в его центре тяжести. При длиннобазных вагонах и коротких элементах профиля это может привести к неточности в определении допустимой силы ветра, согласно условию (1). Следует принимать во внимание то обстоятельство, что различные оси вагона будут находиться на разных уклонах и, следовательно, массы вагона, приходящиеся на такие оси, будут испытывать разную движущую силу. В этом случае лучше использовать так называемую осевую модель отцепа, отли-
чие которой от вагонной состоит в уточненной величине эквивалентного уклона [13].
Согласно выражению (1), для приведенного на рис. 1 профиля был выполнен расчет скорости лобового ветра, при которой возможен самопроизвольный уход состава, состоящего из следующих типов вагонов: 1) крытые, КР (53 вагона, 27 груженых + 26 порожних), 2) полувагоны, ПВ (57 = 29 груженых + 28 порожних), 3) платформы, ПЛ (53 = 27 груженых + + 26 порожних), 4) цистерны, ЦС (66 = 33 груженых + 33 порожних), 5) хопперы, ХП (66 = = 33 груженых + 33 порожних). Масса груженого вагона принималась равной 86 т, порожнего - 22 т, все вагоны четырехосные. Удельное сопротивление движению при трогании с места определено в соответствии с Правилами тяговых расчетов по формуле w = 28/(^0+7), Н/кН, где д0 - средняя для состава нагрузка от оси на рельсы, для груженых вагонов д0 = 21,5 т/ось, для порожних - д0 = 5,5 т/ось. Температура воздуха принята равной 25 °С, атмосферное давление р = 760 мм рт. ст.
Результаты расчетов приведены в табл. 1. Как из нее видно, наибольшую вероятность самопроизвольного ухода имеют хопперы - за счет высокого коэффициента воздушного сопротивления. На рис. 2 представлена зависимость критической скорости ветра от величины эквивалентного уклона для разных типов вагонов.
Рассмотрим теперь возможность самопроизвольного ухода вагонов с раздельного пункта, имеющего, согласно действующим нормам, трехэлементный вогнутый продольный профиль (рис. 3). Такой профиль состоит из горизонтальной разделительной площадки длиной / и двух противоуклонов с крутизной I = 1,5-2,5 % и длиной / = к • 1 0/1, где к = 0,45-0,55, / - полезная длина пути [14]. Варианты профиля при /0 = 850 м приведены в табл. 2. Расчет критической скорости ветра выполнен для состава, состоящего из хопперов, половина из которых порожние, а половина - груженые. Исходные условия прежние. Результаты расчетов приведены в табл. 3.
ТАБЛИЦА 1. Расчетные параметры движения вагонов
Параметр Тип вагона
Крытые (КР) Полувагоны (ПВ) Платформы (ПЛ) Цистерны (ЦС) Хопперы (ХП)
Количество осей, п 212 228 212 264 264
Суммарный коэффициент воздушного сопротивления, N У=1 121,8 249,6 328,1 381,6 607,2
Аэродинамический коэффициент, с, т/м 0,072 0,148 0,194 0,194 0,360
Масса состава, т 2894 3110 2894 3564 3564
Средневзвешенное сопротивление движению, V?, Н/кН 1,416 1,417 1,416 1,426 1,426
Приведенное ускорение силы тяжести, м/с2 9,187 9,187 9,187 9,181 9,181
Параметр А, м/с 2 3,674-10-3 3,795-10-3 3,674-10-3 4,103 10-3 4,103-10-3
Параметр ц, 1/м 2,495-10-5 4,756-10-5 6,720 10-5 5,457-10-5 1,01010-5
Эквивалентный уклон, ¡э -1.01610-3 -1,004-10-3 -1,01610-3 -9,79-Ю-4 -9,79-Ю-4
Критическая скорость ветра, V , м/с 12,1 8,9 7,4 8,0 6,4
%'М/С 30 24 18 12 6 0
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
¿э > %о
Рис. 2. Зависимость критической скорости ветра от эквивалентного уклона: 1- КР; 2 - ПВ; 3 - ПЛ; 4 - ЦС; 5 - ХП
ho
Рис. 3. Трехэлементный продольный профиль
ТАБЛИЦА 2. Варианты продольного трехэлементного профиля
Длина, м
противоуклона, /. _________ " ^______ разделительной площадки, /
к i, %%
A. 1.5 B. 2.0 C. 2.5
I. 0.45 255 ^^^^^ ^^^^^^ 340 191 ^^^^^^ ^^^^^^ 468 153 ^^^^^ ^^^^^ 544
II. 0.50 283 ^^^^^^ 284 213 424 170 ^^^^^ ^^^^ 510
III. 0.55 312 ^^^^^ 226 234 ^^^^^^ 382 187 ^^^^^ ^^^^ 476
ТАБЛИЦА 3. Допустимая скорость ветра для разных вариантов продольного профиля
Вариант профиля I.A I.B I.C II.A II.B II.C III.A III.B III.C
Критическая скорость ветра, м/с 13,6 13,7 13,8 13,7 13,9 13,9 14,1 14,0 14,0
Как видно из табл. 3, и для трехэлементного профиля допустимая скорость ветра остается сравнительно невысокой - порядка 14 м/с, что по-прежнему оставляет проблему надежности закрепления вагонов на станции актуальной. Заметим, что в случае, когда профиль станционной площадки имеет нулевой уклон на всем протяжении, допустимая скорость ветра равна для состава из хопперов 11,4 м/с; это ненамного меньше, чем для трехэлементного профиля. Кроме
того, нужно учитывать, что трехэлементный продольный профиль должен иметь каждый станционный путь, что, как следствие, значительно усложняет проектирование, строительство и содержание станции, в особенности горловин [15]. Таким образом, целесообразность сооружения такого профиля требует серьезного обоснования.
Предложенная расчетная схема позволяет также определить силу, с которой будут дей-
ствовать на тормозной упор движущиеся вагоны, если таковой установлен в конце участка пути [16].
Библиографический список
1. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации (с изменениями на 25 декабря 2018 года). - Утв. Приказом Минтранса России от 21 декабря 2010 г. № 286. - М. : ООО «Техинформ»; ООО Центр «Транспорт», 2012. - 520 с.
2. Бессоненко С. А. Принципы оптимизации параметров сортировочных горок / С. А. Бессоненко // Транспорт : наука, техника, управление. - 2010. - № 5. -С. 17-20.
3. Осипов Д. В. Влияние искажений продольного профиля перевальной части сортировочной горки на проход отцепов без саморасцепа / Д. В. Осипов // Современная наука : теоретический и практический взгляд : сб. науч. статей. - Уфа : АЭТЕРНА, 2015. -Ч. 1. - С. 32-36.
4. Корниенко К. И. Исследование влияния профиля горки на скорость движения отцепов в сортировочном парке при встречном ветре / К. И. Корниенко // Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии. - Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2017. - № 6. - С. 104-111.
5. Ахмаев Е. А. Исследования влияния профиля горки на скорость движения отцепов в сортировочном парке при попутном ветре / Е. А. Ахмаев, С. А. Бес-соненко, В. В. Борисов, К. И. Корниенко // Вестн. Сибирск. гос. ун-та путей сообщения. - 2017. - № 1 (40). - С. 13-18.
6. Ахмаев Е. А. Исследование движения отцепа в сортировочном парке / Е. А. Ахмаев, С. А. Бессоненко, В. В. Борисов, К. И. Корниенко // Транспорт Урала. -2017. - № 4 (55). - С. 49-53.
7. Корниенко К. И. Алгоритм расчета точки остановки отцепа в сортировочном парке / К. И. Корниенко // Транспорт : наука, техника, управление. - 2017. -№ 11. - С. 36-40.
8. Пазойский Ю. О. К вопросу о движении вагона по уклону железнодорожного пути / Ю. О. Пазойский, В. А. Кобзев, И. П. Старшов, В. М. Рудановский // Бюл.
транспорт. инфраструктуры. - 2018. - № 2 (272). -С. 35-37.
9. Стрелков М. В. Исследование вопросов предотвращения ухода со станционных путей вагонов, оборудованных роликовыми подшипниками / М. В. Стрелков : автореф. дис. ... канд. техн. наук, специальность : 05.22.08. - Л. : ЛИИЖТ, 1976. - 20 с.
10. Сычев Е. И. Влияние системы нормативных документов на безопасность движения поездов / Е. И. Сычев // Транспорт : наука, техника, управление. - 1999. -№ 5. - С. 57-59.
11. Смирнов В. И. Динамика скатывания однова-гонных отцепов с сортировочной горки / В. И. Смирнов // Транспорт : наука, техника, управление. - 1993. -№ 10. - С. 29-34.
12. Смирнов В. И. Динамические особенности скатывания вагонов с сортировочной горки / В. И. Смирнов, С. А. Видюшенков, А. С. Кухарева // Изв. Пе-терб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2019. -Т. 16. - Вып. 2. - С. 241-250.
13. Смирнов В. И. Динамика скатывания многовагонных отцепов с сортировочной горки / В. И. Смирнов // Транспорт : наука, техника, управление. - 1994. -№ 1. - С. 17-23.
14. Ефименко Ю. И. Железнодорожные станции и узлы : учеб. пособие / Ю. И. Ефименко, С. И. Логинов, В. С. Суходоев, М. М. Уздин, П. К. Рыбин, В. В. Костен-ко, В. И. Смирнов. - М. : Академия, 2006. - 336 с.
15. Методические указания по проектированию железнодорожных узлов и станций : особенности проектирования трехэлементного профиля станционных путей. - Киев : Киевгипротранс, 1982. - 38 с.
16. Исаев К. С. Упоры для механизированного закрепления подвижного состава / К. С. Исаев, В. П. Шей-кин, В. М. Сорокодумов, М. Ф. Бобылев // Автоматика, телемеханика и связь. - 1996. - № 1. - С. 25-27.
Дата поступления: 29.06.2020 Решение о публикации: 19.07.2020
Контактная информация:
СМИРНОВ Владимир Игоревич - д-р техн. наук, профессор; vsmirnov1@gmail.com ВИДЮШЕНКОВ Сергей Александрович -канд. техн. наук, доцент; baklava@mail.ru
On equilibrium slope of station gradient V. I. Smirnov, S. A. Vidiushenkov
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Smirnov V. I., Vidiushenkov S.A. On equilibrium slope of station gradient. Proceedings of Petersburg Transport University, 2020, vol. 17, iss. 4, pp. 575-582. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2020-4-575-582
Summary
Objective: Definition of slope gradient for station track profile elevation at which self-induced running-off of loose running stock. Methods: Simulation of rolling stock movement based on analytical solution of differential equation of equilibrium of cut of wagons. Cut of wagons on station track is treated as a solid on a gradient plane with a mass equal to the mass of the cut of wagons. Track profile elevation is approximated by piecewise-linear right line. Results: The paper shows that hopper wagons have the highest probability of self-induced running-off due to high air resistance coefficient. For three-element profile the hypothetic wind speed at which running-off of wagons is possible remains relatively low, about 14 metres per second, which leaves the problem of effective fastening of wagons at stations still current. Practical importance: The solution obtained permits evaluating the probability of running-off of loose rolling stock under the action of gravity and under the impact of wind loading, as well as refine the norms for fastening of wagons at a station. The proposed calculation scheme also permits gauging the strength with which moving wagons would impact the backing thrust in case it is installed at the end of a track section.
Keywords: Station track, profile elevation, running-off of wagons, equivalent grade.
References
1. Pravila tekhnicheskoi ekspluatatsii zheleznykh do-rog Rossiiskoi Federatsii [Rules of technical operation of the Russian Federation railways]. Updated as on December 25, 2018. As approved by the order of Russian Transport Ministry, December 21, 2010 N 286. Moscow, OOO Tekhinform and OOO Tsentr Transport Publ., 2012, 520 p. (In Russian)
2. Bessonenko S.A. Printsipy optimizatsii parametrov sortirovochnykh gorok [Principles of optimisation of gravity humping yards' parameters]. Transport: nauka, tekhnika, upravlenie [Transport: science, technics, management], 2010, no. 5, pp. 17-20. (In Russian)
3. Osipov D. V. Vliianie iskazhenii prodol'nogo pro-filia pereval'noi chasti sortirovochnoi gorki na prokhod ottsepov bez samorastsepa [Impact of deformations ofpro-file elevation of a transshipping section of a gravity hump yard on passage of a cut of wagons without unwanted uncoupling]. Sovremennaia nauka: teoreticheskii iprak-
ticheskii vzgliad. Sb. nauchnykh statei [Modern science: theoretical and practical view. Coll. sci. papers]. Ufa, AETERNA Publ., 2015, ch. 1, pp. 32-36. (In Russian)
4. Kornienko K. I. Issledovanie vliianiia profilia gorki na skorost' dvizheniia ottsepov v sortirovochnom parke pri vstrechnom vetre [A study of the impact of hump profile on cut of wagons' movement speed in a sorting yard in head wind]. Nauka i molodezh'SGUPSa v tret'em tysiacheletii [Siberian Transport University's science and youth in the 3rd millennium]. Novosibirsk, Izdatel'stvo SGUPSa [Siberian Transport University Publ.], 2017, no. 6, pp. 104-111. (In Russian)
5. Akhmaev E.A., Bessonenko S. A., Borisov V. V. & Kornienko K. I. Issledovvaniia vliianiia profilia gorki na skorost' dvizheniia ottsepov v sortirovochnom parke pri poputnom vetre [Studies of the impact of hump profile on cut of wagons' movement speed in a sorting yard in tail wind]. VestnikSibirskogogosudarstvennogo univer-sitetaputei soobshcheniia [Siberian Transport University Herald], 2017, no. 1 (40), pp.13-18. (In Russian)
6. Akhmaev E. A., Bessonenko S. A., Borisov V. V. & Kornienko K. I. Issledovanie dvizheniia ottsepa v sortiro-vochnom parke [A study of movement of a cut of wagons in a sorting yard]. Transport Urala [Urals transport], 2017, no. 4 (55), pp. 49-53. (In Russian)
7. Kornienko K. I. Algoritm rasscheta tochki ostanov-ki ottsepa v sortirovochnom parke [Calculation algorithm for a stopping point of a cut of wagons in a sorting yard]. Transport: nauka, tekhnika, upravlenie [Transport: science, technics, management], 2017, no. 11, pp. 36-40. (In Russian)
8. Pazoiskii Yu. O., Kobzev V. A., Starshov I. P. & Ru-danovskii V. M. K voprosu o dvizhenii vagona po uk-lonu zheleznodorozhnogo puti [On the question of wagon movement on railway track slope]. Biulleten ' transport-noi infrastruktury [Transport infrastructure bulletin], 2018, no. 2 (272), pp. 35-37. (In Russian)
9. Strelkov M. V. Issledovanie voprosov predotvrash-cheniia ukhoda so stantsionnykh putei vagonov, oboru-dovannykh rolikovymi podshipnikami [A study into the problems of preventing running off of wagons equipped with tapered roller bearings from station tracks]. Extended abstract of Cand. Sci. Eng. dissertation, speciality: 05.22.08. Leningrad, LIIZhT [Leningrad Institute of Railway Transport] Publ., 1976, 20 p. (In Russian)
10. Sychev E. I. Vliianie sistemy normativnykh doku-mentov na bezopasnost' dvizheniia poezdov [Influence of regulatory documents' system on train movement safety]. Transport: nauka, tekhnika, upravlenie [Transport: science, technics, management], 1999, no. 5, pp. 57-59. (In Russian)
11. Smirnov V. I. Dinamika skatyvaniia odnovagon-nykh ottsepov s sortirovochnoi gorki [Dynamics of one-wagon cuts' rolling off from humping yard]. Transport: nauka, tekhnika, upravlenie [Transport: science, technics, management], 1993, no. 10, pp. 29-34. (In Russian)
12. Smirnov V. I., Vidiushenkov S. A. & Kukhare-va A. S. Dinamicheskie osobennosti skatyvaniia vago-
nov s sortirovochnoi gorki [Dynamic peculiarities of wagons' rolling off from humping yard]. Izvestiia Peters-burgskogo universitetaputei soobshcheniia [Proceedings of Petersburg Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2019, vol. 16, iss. 2, pp. 241-250. (In Russian)
13. Smirnov V. I. Dinamika skatyvaniia mnogovagon-nykh ottsepov s sortirovochnoi gorki [Dynamics of rolling off of multi-wagon cuts from humping yard]. Transport: nauka, tekhnika, upravlenie [Transport: science, technics, management], 1994, no. 1, pp. 17-23. (In Russian)
14. Efimenko Yu. I., Loginov S. I., Sukhodoev V. S., Uzdin M. M., Rybin P. K., Kostenko V. V. & Smirnov V. I. Zheleznodorozhnye stantsii i uzly. Uchebnoe posobie [Railway stations and junctions. Study guide]. Moscow, Akademiia Publ., 2006, 336 p. (In Russian)
15. Metodicheskie ukazaniia po proektirovaniiu zheleznodorozhnykh uzlov i stantsii: Osobennostiproek-tirovaniia trekhelementnogo profilia stantsionnykh putei [Recommended practices for designing railway junctions and stations: Special aspects of designing three-element profile of station tracks]. Kiev, Kievgiprotrans Publ., 1982, 38 p. (In Russian)
16. Isaev K. S., Sheikin V. P., Sorokodumov V. M. & Bobylev M. F. Upory dlia mekhanizirovannogo zakre-pleniia podvizhnogo sostava [Arresting devices for mechanical fastening of rolling stock]. Avtomatika, teleme-khanika i sviaz' [Automatics, telemechanics and communications], 1996, no. 1, pp. 25-27. (In Russian)
Received: June 29, 2020 Accepted: July 19, 2020
Author's information:
Vladimir I. SMIRNOV - D. Sci. in Engineering, Professor; vsmirnov1@gmail.com Sergei A. VIDIUSHENKOV - PhD in Engineering, Senior Lecturer; baklava@mail.ru
