CC BY
44
УДК 625.115:656.225(477)
I. П. КОРЖЕНЕВИЧ, М. Б. КУРГАН, Ю. С. БАРАШ, Д. М. КУРГАН (ДПТ)
ВПЛИВ П1ДВИЩЕННЯ ШВИДКОСТ1 РУХУ ПО1ЗД1В НА ВИТРАТИ ЕНЕРГОРЕСУРС1В
Розглядаеться вплив пвдвищення швидкосп руху погадв на витрати енергоресурав. Рассматривается влияние повышения скорости движения поездов на расход энергоресурсов. Influence of the increase of train speed on the consumption of power resources is under consideration.
1. Основш положення
Оргашзащя руху по1здв з ращональними для конкретних умов експлуатаци швидкостя-ми мае важливе значення для зниження експлу-атацiйних витрат. Рацiональною вважаеться така швидюсть, за яко! окупаються витрати на И реалiзацiю.
Останшм часом в Украiнi проводиться бага-то дослщжень, пов'язаних з шдвищенням швидкостi руху поiздiв. При цьому в основному аналiзуються витрати на реалiзацiю такого пiдвищення i скорочення часу руху. В той же час шдвищення швидкостi вочевидь призво-дить до збiльшення енергоресурав i витрат на утримання шфраструктури [1-3]. Пiд енергоре-сурсами будемо розумгги механiчну роботу си-ли тяги локомотива (або роботу сил опору), витрати електроенерги чи дизельного палива.
Недолши iснуючих методiв економiчноi ощ-нки вартостi часу пасажирiв та соцiальних ефе-кпв вiд скорочення тривалостi подорож не до-зволяють виконати повноцiнну ощнку економ> чного ефекту вiд шдвищення швидкост руху поiздiв. Необхвдний сучасний шдхщ, який би враховував змшу енергоресурсiв та витрат на утримання шфраструктури при збшьшенш швидкостi руху поiздiв.
Вiдомо, що факторами, яю впливають на знос iнфраструктури залiзницi, з однiеi сторони е мехашчна робота сили тяги локомотива Ям i робота сил опору руху Яс, з iншоi - пропуще-ний тоннаж О i осьове навантаження . Два останшх фактори надалi будуть визначатися роботою вертикальних сил , що ддать на ко-лда. Такий пiдхiд дозволяе враховувати структуру по1'здопотоку та iнтенсивнiсть руху по!з-дiв.
Крiм названих факторiв потрiбно дослiдити роботу бiчних сил , що дiють в горизонталь-
но площиш, а також роботу галышвних сил
Rb.
Мехашчна робота сил опору визначае сту-шны зносу ходових частин рухомого складу i верхныо! будови коли i складаетыся з роботи сил опору руху Rw i роботи галым1вних сил Rb, яка мае мюце на дшянках галымування, тобто
R = R + Rb
(1)
Ураховуючи мету дослщження, аналiзу пiддавались складовi опору руху, як виника-ють при взаемодп рухомого складу i коли.
Отр вiд кочення колiс по рейках. При ко-ченнi колеса по рейщ вiдбуваеться стискання колеса i рейки у вертикальнiй площиш, прогин рейки як балки, тертя дотичних поверхонь колеса, рейки, шпал i баласту. Величина стискання колеса i рейки пропорцшна модулю пружно-стi металу. Вплив прогину коли на отр руху до останнього часу мало дослщжений.
При набiганнi колеса на рейку i прогинi останнього, зi сторони рейки виникае деяка реактивна сила АВ (рис. 1).
Рис. 1. Сили, що викликаюты отр вщ кочення колеса по рейщ
Унаслщок деформаци i прогину рейки точка прикладення реакцп рейки змiщуeться вперед на величину т. Величина т залежить вiд якостi i стану рейково1 коли. Можна припусти -ти, що сила АВ проходить через центр колеса (фактично вона вщхилена дещо вперед) i дорь внюе А1В1 [6]. Розкладемо останню на двi скла-довi Р1 i 5. Складова Р1 дорiвнюe навантажен-ню вiд колеса Р i зрiвноважуe 11. Складова 5 е силою опору кочення колеса i приблизно дорь
° ¡т—, тобто обернено пропорцiйна
внюе
Я
радiусу колеса Я i зменшуеться при збiльшеннi жорсткостi поверхнi колеса i рейки. Величина цього опору залежить як вщ типу рухомого складу, осьового навантаження, так i вщ типу й технiчного стану верхньо! будови коли.
Опiр вщ тертя ковзання мiж колесом i рейкою. Одночасно з коченням колеса вщбува-еться частково i прослизання його по рейщ. Це ковзання е слщством конусностi профiлю кочення колеса i звивистостi руху вагона.
Колесо торкаеться рейки овальною площи-ною довжиною аЬ (рис. 2), унаслщок чого точки а i Ь лежать на колах рiзних радiусiв (Я1 i Я11). Кочення колеса без ковзання можливе тiльки у випадку одного радiуса Я . 1з-за нерiв-ностi кiл кочення колюна пара котиться з ви-лянням, тобто пiд час поступального руху пе-ремiщуеться в поперечному напрямку то в одну, то в шшу сторону. Стушнь виляння залежить вiд багатьох факторiв, в тому числi вщ поздовжньо! сили i стану устро!в зчеплення (в по!здах, що рухаються на пiдйом, виляння ме-нше, нiж при русi на спуск). Характер виляння залежить також вщ характеру зносу i ступеня кошчност бандашв.
Рис. 2. Торкання колеса з рейкою
Ошр вiд ударiв i коливань. Рух по]дщв су-проводжуеться ударами на стиках рейок унас-лiдок нерiвностей коли в профш й планi, наяв-носп вибо1н на колесах тощо. При кожному ударi жива сила по1зда зменшуеться, так як де-яка И частина витрачаеться на мехашчну роботу удару. Втрату живо1 сили вагону масою Р вщ ударiв на стиках приблизно можна визначи-ти за формулою Р(аУ + ЬУ2), де а,Ь - коефщ> енти, що залежать вiд величини зазорiв у рейках, жорсткост коли та пружних властивостей ресор [6].
2. Розробка тягово-експлуатацшнот моделi
Вищенаведенi основнi положення були вра-хованi при розробцi тягово-експлуатащйно1 модель Програма дозволяе визначати допус-тиму швидюсть руху П013дiв в кривих, викону-вати тяговi розрахунки, ощнювати комфорта-бельнiсть 1зди, визначати мехашчну роботу си-ли тяги локомотива, роботу сил опору, роботу гальмiвних сил, а також роботу вертикальних i горизонтальних сил.
3. Дослщження впливу параметрiв траси й експлуатацшних фактор1в на знос колшнот
iнфраструктури
Для аналiзу впливу пщвищення швидкостi руху на зношення колшно1 iнфраструктури були виконанi тяговi розрахунки спочатку на ета-лонних донках, потiм - на юнуючих реаль-них. Еталоннi дiлянки вiдрiзнялись сво1ми параметрами, що дозволило провести факторний аналiз. Так, розглядався поздовжнш профiль дiлянок рiзного абрису iз змiною крутизни ухи-лiв вiд 4 до 20 %о. План лши враховувався через питому вагу кривих, яка змiнювалась вщ 10 до 80 % вщ довжини дiлянки, i середнiй радiус -вiд 400 до 2000 м. Передбачалось, що на таких донках рухаються по1зди рiзних категорш i норм маси i вщповщно до цього задавались до-пустимi швидкостi прослiдування роздiльних пунктiв вщ 60 до 120 км/год, а максимально допустим на перегонах - вщ 80 до 160 км/год.
Для зменшення помилки апроксимаци, по-перше, були вiдокремленi тепловозна та елект-рична тяги. По-друге, окремо розглядалися ва-нтажнi, примiськi i пасажирськi по1зди, а також по1зди типу «Столичний експрес». По-трете, в окремi групи бiли видiленi дшянки за середнiм уклоном поздовжнього профшю /середн (легкий, середнiй та важкий за такою градащею:
^середы. ^ 6%0 - легкий ПPофiль;
6%0 < /'^ртда. < 9%о - середнш профiль;
9%о < /середн - важкий профiль.
Для пасажирських по]дщв та експресiв, крiм того, введено розподшення за складнiстю плану лши через середнш радiус (з урахуванням пря-мих дiлянок):
Ясередн. > 2000 м - легкий план;
2000 м > Я,
середн.
> 1000 м - середнш план;
1000 м > Ясередн - важкий план.
и средн.
Для визначення впливу показникiв еталон-них дiлянок на фактори, що призводять до зно-су коли, було виконано близько мшьйона роз-рахункiв, за результатами яких отримаш коре-ляцiйнi зв'язки мiж характеристиками еталон-них дiлянок та тягово-енергетичними факторами. Було встановлено, що найбшьш тiснi зв'язки iснують мiж факторами, що призводять до зносу залiзничноl коли (робота сил опору i гальмiвних сил, робота бокових i верти-кальних сил), видом тяги i типами поl3дiв,
складшстю плану й профiлю, швидкiстю руху i масою поïздiв, а також довжиною перегону.
Запропонована методика була використана в реальних умовах експлуатацп. Результати ви-конаних розрахункiв наведеш для дiлянок, що вiдрiзняються показниками плану та профшю: Кшв - Львiв, Дарниця - Лозова, Красноград -Днiпропетровськ, Лозова - ^мферополь для однieï категорiï поïздiв «Столичний експрес» при рiзних значеннях максимальноï швидкостi поïздiв (100...160 км/год).
Для прикладу на рис. 3 показана змша ме-ханiчноï роботи сили тяги локомотива. З рисунку видно, що значення цього фактору суттево змшюються по довжиш лши, що залежить вщ параметрiв поздовжнього профiлю, плану, на-явностi обмежень швидкосп, режиму ведення по1'зду, швидкосп руху тощо. Отже i вплив на знос колшно1' iнфраструктури буде рiзний. Тому при виконанш порiвняльних розрахункiв треба подiляти таю дшянки на окремi складовi з однорщними параметрами.
850
950
1050
1150
1250
1350
1450 КМ
Рис. 3. Змша мехашчно1 роботи при руа пасажирського по1зда за напрямком Кшв - Льв1в
В табл. 1 наведено порiвняння мехашчно1 робота сили тяги локомотива ЧС8, маса по1зда 1100 т на напрямку Киlв-Львiв, отримано1 за результатами тягових розрахунюв i за методикою, що запропонована.
Для кожного з варiантiв були отримаш значення часу руху та витрати енергоресуршв i ви-значенi питомi значення скорочення часу руху (А?, с/км) та збшьшення витрат енергоресуршв (АЯм , %) порiвняно з максимальною швидюстю 100 км/год (табл. 2).
З табл. 2 видно, що збшьшення швидкосп призводить до суттевого зростання витрат енергоресуршв. При швидкостi 160 км/год щ витрати зростають майже втричi.
На рис. 4 наведено графiчне вщобра-ження залежыостi А? вiд шдвищення мак-симально1 швидкостi руху по]дщв АУ вiдносно швидкостi 100 км/год. Середш значення цього пiдвищення, яю на графiку представлено пунктирною лшею, можуть бути описанi рiвнянням
А? = 0,0025АУ2 + 0,285АУ .
Таблиця 1
Пор1вняння мехашчноТ робота сили тяги локомотива за результатами тягових розрахуншв 1 запропонованою методикою
Мехашчна робота, т-км
Дшянка за тяговими розра-хунками за методикою Сшввщношення, %
Кив-Пас. - Фаспв-1 419 462 10.3
Фаспв-1 - Козятин-Пас. 517 581 12.4
Козятин-Пас. - Вшниця 353 383 8.5
Вшниця - Жмеринка-Пас. 395 294 25.6
Жмеринка-Пас. - Хмельницький 752 619 17.7
Хмельницький - Шдволочиськ 488 413 15.4
Щдволочиськ - Тернопшь 400 319 20.2
Тернотль - Красне 1008 832 17.5
Красне - Льв1в 418 366 12.4
Таблиця 2
Скорочення часу руху та збшьшення мехашчноТ роботи сили тяги локомотива в залежност1
вщ р1вня максимально! швидкост1, км/год
Довжина, = 120 ^тах = 140 ^тах = 160
Назва дшянки км АГ АЯ м АГ АЯ м АГ АЯ м
Ки!в - Фаспв 63.3 0.6 33 0.5 04 0.3 73
Фаспв - Козятин 94.7 5.9 20 9.0 78 11.0 170
Козятин - Жмеринка 109.0 5.6 21 7.6 95 8.2 161
Жмеринка - Шдволочиськ 164.8 5.5 29 8.0 104 8.8 173
Шдволочиськ - Тернотль 51.2 3.1 57 4.6 105 5.2 141
Тернопшь - Красне 89.5 3.5 99 4.7 178 5.0 223
Красне - Льв1в 50.5 4.7 53 6.9 127 7.8 201
Дарниця - Гребшка 132.0 5.9 24 9.8 67 13.0 138
Гребтка - Полтава 203.6 4.1 44 6.2 98 6.9 143
Полтава - Лозова 80.2 3.3 52 4.5 111 4.9 138
Красноград - Дн1пропетровськ 127.9 5.5 46 7.8 134 8.6 196
Лозова - Запоргжжя 167.6 5.7 31 8.3 98 9.4 165
Запоргжжя - Мелггополь 111.7 5.7 39 8.3 134 9.3 197
Мел1тополь - Омферополь 244.4 5.9 22 9.2 80 11.0 153
Середн1 значення 5.0 41 7.3 108 8.4 169
Рис. 4. Питома економ1я часу руху в залежносп ввд шдвищення швидкосл
На рис. 5 наведено графiчне вiдображення зале-жностi АЯм вщ пiдвищення максимальнох' швидкостi руху поiздiв АУ вiдносно швидкостi
100 км/год, а середш значення цього шдвищення, яю на графiку представлено пунктирною лшею, описанi рiвнянням АЯ = 0.013АУ2 + 2.1АУ .
Рис. 5. Питоме зб1льшення витрат енергоресурав в залежносп в1д шдвищення швидкосп
Загальна дiя рухомого складу, що призво-дить до зносу колшно1 шфраструктури, визна-чалась за формулою
за формулою
D = Dn
Dn
D
верт.
Поздовжня дiя рухомого складу на колда Dпозд складасться з механiчноï роботи та роботи
сил гальмування i з достатньою для даного до-слiдження точнютю для кожноï категорiï поïздiв може визначатися за наступною формулою
D- 1000 '(a'
b ' Q + g • /пер. 1000
де Q - маса по'зду, т;
Ь - довжина д^нки, км;
/пер - середня довжина перегону, км;
а, Ъ, с - коефiцiенти апроксимаци. Як показали розрахунки, дiю вертикальних сил Вверт можна представити через дда поздов-
жнiх сил за допомогою коефщеннв
Вверт. кверт. кстан Впозд.
Середне спiввiдношення мiж поздовжньою та вертикальною дiями кверт при сташ залiзнич-
но1 колii тсля ремонту (кстан = 1), що оцшюеть-
ся як «добре», складае 0.05 для пасажирського руху, при електричнш тязi 0.10 - для вантажно-го руху та 0.15 - при тепловознш. Якщо колiя знаходиться в станi, що потребуе негайного ремонту, то кстан = 3.2. Для мiжремонтного пер> оду приймаеться кстан = 1.7 . Детально це питан-ня розглянуто в роботi [7].
Дда поперечних сил Впоп можна визначити
де Кпоп =
Dпоп. = Q ' АкрКпоп ,
„Jvj - 9720 V„„2 + 2.36 • 107
ср
ср
850Д
Ькр - загальна довжина кривих на д>
лянщ, км;
Уср - середня швидюсть руху, км/год;
Яср - середнш радiус кривих, м.
Як показали розрахунки, для паса-жирських поiздiв дiя вертикальних сил Вверт може визначатися через поздовжню
дiю за допомогою коефщенту 0.05, а Впоп - через коефiцiент АУ, який визначаеться через збшьшення швидкосп вiдносно 100 км/год за наступною формулою
к = 0.05 + 0.003 АУ .
Таким чином, загальний вплив на колда для розглянутих в робот вихщних даних може бути представлено через роботу поздовжнiх сил
В = (0.1 + 0.003 АУ) • Дпозд .
Математичнi очшування т значень часу руху Г (с/км) та Впозд (ткм, вщнесеш
до 1-го кiлометра та Ы тони маси по'зду) та 1х середньоквадратичнi вiдхилення (о/
с (7oj, отриманi за результатами розраху-нюв на еталонних дiлянках, наведенi в табл. 3.
Таблиця 3
Математичш очжування часу руху та робота поздовжшх сил
V , max ' км/год Юльюсть варiантiв t D позд
mt ct mD C D
100 1999 42.1 9 13.6 40
120 90000 41.8 22 18.9 38
140 40115 39.8 25 23.0 39
160 30000 36.6 21 21.0 37
Зростання витрат на утримання шфраструктури АВ (%), в залежност вiд пiдвищення швидкосп, представлено на рис. 6. На цьому ж
рисунку пунктиром показана апроксиму-юча залежнють AD = 0.035 AV2 + 3.5 AV .
Рис. 6. Зростання витрат на утримання колшно1 шфраструктури (%) в залежносп ввд збшьшення максимально! швидкосп руху по!зд1в
Зростання швидкостi руху, км/год
Деяке зменшення витрат на утримання ш-фраструктури в кiнцi графшу пов'язано зi змен-шенням гальмувань.
ЗАГАЛЬН1 ВИСНОВКИ
1. Отриманi анал^ичш залежностi характе-ризують вплив основних факторiв (довжини д> лянки, типу рухомого складу, швидкосп руху, стану залiзничноï колн тощо) на знос залiзнич-но1' колн. Коефiцiенти кореляцн визначають зв'язок мiж кiлькiсними показниками впливу на колда та яюсним станом колiйноï шфраструкту-ри. Такий шдхщ дае можливiсть давати попере-дню оцiнку впливу рiзних факторiв на знос ко-лiйноï шфраструктури, не виконуючи багатова-рiантних тягових розрахункiв та тривалих ста-тистичних спостережень.
2. Оскшьки в подальших розрахунках важли-вими е не абсолютш значення тих чи шших по-казникiв, а ix сшввщношення, то апроксимуючi залежностi можуть використовуватися для роз-раxункiв частки кожного по]дцу та груп поïздiв в загальних витратах на утримання шфра-структури.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Корженевич I. П. Деяш економ1чн1 аспекти впро-вадження швидк1сного руху на зал1зницях Укра-1ни / I. П. Корженевич, М. Б. Курган, В. В. Савченко // Транспорт: Зб. наук. праць Д11Ту, Вип. 8. - Д., 2001. - С. 74-82.
2. Кирпа Г. Н. Повышение скоростей движения поездов на магистрали Львов - Мос-тиска II - Государственная граница / Г. Н. Кирпа, И. П. Корженевич, Н. Б. Курган // Проектування, виробництво та експлуатащя автотранспортних засоб1в 1 пойд1в. Пращ Зах. Наук. центру, Льв1в, 2000, № 7. - С. 76-78.
3. Курган М. Б. Анал1з роботи зал1зниць Украши з позицп впливу штенсивносл перевезень на знос шфраструктури / М. Б. Курган, I. П. Корженевич, Ю. С. Ба-раш, Н. I. Верхоглядова // Вюн. Дшпро-петр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна, Вип. 19. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2007. - С. 265-270.
4. Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М.: Транспорт, 1985. - 287 с.
5. Гребенюк П. Т. Тяговые расчеты: Справочник / Под ред. П. Т. Гребенюка / П. Т. Гребенюк, А. Н. Долганов, А. И. Скворцова. - М.: Транспорт, 1987. -272 с.
6. Бабичков А. М. Тяга поездов / А. М. Баби-чков, В. Ф. Егорченко. - М.: Трансжелдо-риздат, 1955. - 356 с.
7. Курган Д. М. Вплив стану зал1знично1 да-лянки 1 структури попдопотоку на житте-вий цикл коли / Д. М. Курган, I. О. Бонда-ренко // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту за-л1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна, Вип. 19. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2007. - С. 78-83.
Надшшла до редколегн 26.02.2008.
