Уменьшение продольных усилий в автосцепках вагонов при движении тяжеловесных и длинносоставных грузовых поездов

Увеличение провозной способности дорог при повышении массы и скорости грузовых поездов, внедрение большегрузных вагонов позволяют обеспечить наименьшую себестоимость перевозок. По данным Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта, использование восьмиосных вагонов с увеличением погонной нагрузки до 8,3 тс/м снижает себестоимость перевозок примерно на 5%. Средняя масса брутто грузового поезда на железных дорогах возросла за 50 лет в 4 раза, а максимальная масса одинарных поездов на эксплуатируемых линиях достигла 6000 т.

В перспективе масса состава может возрасти до 10 000. 15 000 т, а при использовании соединенных грузовых поездов до 15 000. 20 000 т. Такие тяжеловесные поезда эксплуатируются в США [52, 102, 112, 117, 122], Канаде [52, 117], Австралии [129], Бразилии [121]. В нашей стране в настоящее время используются соединенные поезда массой 8000. 10 000 т, при этом объединение двух поездов для следования по однопутному участку повышает пропускную способность на 25. 30% [93].

Росту массы поездов способствует резкое увеличение вместимости, грузоподъемности и осности вагонов, повышение осевых нагрузок подвижного состава. На дорогах США повышение грузоподъемности происходит в основном за счет четырехосных большегрузных вагонов, имеющих осевую нагрузку 25. 30 тс, а в отдельных случаях до 36 тс [52, 115]. На железных дорогах России средняя грузоподъемность вагонов составляет примерно 60 т и повышается главным образом за счет увеличения их осности [16, 34, 46]. Допускаемая нагрузка от оси на рельс увеличивается до 22. 25 тс.

Увеличение массы поездов по отношению к унифицированным графиковым нормам составило на Октябрьской железной дороге от 40 до 70%, а на отдельных участках в два раза. Это позволило увеличить длину поездов от 10 до 25%. Опыт эксплуатации показал, что увеличение массы и длины поездов оказывает положительное влияние на сокращение размера движения. Аналогичные результаты получены и по отправлению поездов повышенной длины и массы с основных сортировочных станций. Рост массы грузовых поездов до 6000 т и длины до 150 условных вагонов позволил снизить размер движения на ряде грузонапряженных участков Октябрьской железной дороги до 15% при тех же объемах грузопотока.

Вместе с тем увеличение массы поезда приводит к увеличению продольных усилий в междувагонных соединениях. Наибольших значений эти усилия достигают при переходных (неустановившихся) режимах движения поезда, когда система в сравнительно малые промежутки времени переходит из одного состояния в другое. К таким режимам относятся соударения вагонов при маневровой работе, трогание поезда с места, резкое приложение дополнительной силы тяги или сброс этой силы, торможение, движение через переломы продольного профиля пути.

В настоящее время пневматические тормоза по условиям динамики торможения позволяют эксплуатировать одинарные поезда массой до 6000 т. Примерно такой же величиной ограничивается максимальная масса грузового поезда по прочности автосцепки в режиме трогания с места, так как начало текучести материала изношенных деталей автосцепного оборудования, проработавших в эксплуатации несколько лет, наступает при нагрузке 160 тс [64]. Поэтому актуально создание автотормозов и по-гпптпяюшиу яппярятои яитоопепки. способствующих снижению продольных усилий в тяжеловесных грузовых поездах при переходных режимах движения. Для проектирования подвижного состава и тормозных устройств и решения вопросов, связанных с вождением грузовых поездов, важное значение имеют результаты исследования продольной динамики поезда.

Исследованием продольных колебаний при переходных режимах движения поездов занимались Н. Е. Жуковский, В. А. Лазарян, С. В. Вер-шинский, Л. Н. Никольский, Н. А. Панькин, Е. П. Блохин, О. Г. Бойчевский, С. В. Дувалян, А. У. Галеев, Е. И. Кузьмина и др. Большой вклад в развитие науки о торможении поездов и совершенствование автотормозной техники внесли В. Ф. Егорченко, Б. Л. Карвацкий, В. М. Казаринов, В. Г. Иноземцев, Д. Э. Карминский, И. К. Матросов, Н. А. Албегов, Е. В. Клыков, В. И. Крылов и др. Важные работы по совершенствованию автотормозов проводят В. Ф. Ясенцев, Л. А. Вуколов, М. Д. Фокин, Б. Д. Никифоров, А. М. Ножевников, Л. В. Козюлин, В. Г. Козубенко, Н. С. Буна-ков и др .

В большинстве теоретических работ, посвященных динамике поездов, исследовались процессы трогания с места и движения поезда под действием силы, тяги локомотива на горизонтальных участках и переломах продольного профиля пути. При этом рассматривались составы, сформированные из однотипных и одинаково нагруженных вагонов, в соединениях которых зазоры отсутствуют, и принимались одинаковые силовые характеристики фрикционных поглощающих аппаратов автосцепки, причем считались, что зависимость усилия от деформации линейная. Эти допущения дали возможность использовать при решении задач линейные дифференциальные уравнения, что позволило сравнительно легко с использованием аналитических зависимостей изучить основные особенности исследуемого процесса и определить продольные усилия в тех случаях, когда зазоры в упряжи поезда не оказывают влияния на переходный режим.

Исследовались также установившиеся режимы движения поезда, к которым относится равномерное или замедленное движение под действием постоянной или медленно изменяющейся силы тяги или торможения. При этом продольные усилия определяются только приложенными в данный момент внешними силами и не зависят от характеристик междувагонных соединений.

Линейная теория колебаний стержней использована для исследования некоторых переходных режимов движения неоднородных поездов, составленных из групп вагонов, каждая из которых состоит из одинаковых вагонов и рассматривается как однородный стержень. Для каждого из стержней, входящих в систему, составлены (в дополнение к граничным условиям) условия сопряжения участков. При этом система уравнений оказалась громоздкой и результаты получены только для небольшого числа стержней, входящих в систему. Больший эффект получен при исследовании переходных режимов движения неоднородных поездов, когда рассматривается система стержней переменного сечения с сосредоточенными включениями [74].

При теоретическом исследовании динамики торможения решающее значение имеет выбор математической модели, наиболее точно описывающей процесс возникновения и распространения тормозных, сил в поезде.

На неустановившиеся режимы движения грузовых поездов большое влияние оказывают характеристики междувагонных аппаратов, которые в общем случае нелинейны, а также зазоры в автосцепках, достигающие в эксплуатации 0,06. 0,08 м. Таким образом, задача исследования неустановившегося режима торможения, связанная с колебанием многомассовой системы, вдоль которой распространяется изменяющееся возмущение, является нелинейной и ее аналитическое решение построить невозможно.

В данной работе проведены исследования динамики торможения поезда как системы при нелинейных характеристиках междувагонных соединений в области собственной деформации поглощающих аппаратов. Наряду с жесткими характеристиками, которыми обладают современные пружинно-фрикционные поглощающие аппараты, в работе рассматриваются динамические процессы в поезде с мягкими характеристиками междувагонных связей.

Теоретические исследования продольных усилий проводятся с использованием аналитических зависимостей расчетной тормозной силы в процессе неустановившегося торможения, полученных с учетом реальных диаграмм торможения поездов. Характерная черта исследования состоит в том, что в нем рассматриваются процессы динамики торможения длинносоставных грузовых поездов, когда возрастающие тормозные усилия различной величины распространяются вдоль состава с различными, соответствующими их уровню скоростями.

Такое теоретическое отражение свойств изучаемой нелинейной системы дает возможность получить достоверные данные о качественных и количественных зависимостях продольных усилий в междувагонных соединениях от характеристик тормозные систем и поглощающих аппаратов автосцепки.

На основании теоретических и экспериментальных исследований найдены способы снижения продольных усилий, установлены требования к новым тормозным системам, намечены этапы повышения эффективности торможения, при реализации которых масса грузовых поездов может быть увеличена до 10 000. 15 000 т, и сформулированы выводы, касающиеся общих закономерностей продольной динамики грузового поезда при различных режимах торможения.

Результаты исследования неустановившегося движения воздуха.

Зарядное давление 0,65 Мпа t, c Точка 2 Точка 3 Точка 4 Точка 5 Точка 6.

Расчет 0,346 Эксп. Расчет 0,468 Эксп. Расчет 0,521 Эксп. Расчет 0,539 Эксп. Расчет 0,543 Эксп.

2 0,338 0,452 0,515 0,541 0,548.

4 0,274 0,265 0,374 0,368 0,423 0,412 0,442 0,439 0,445 0,451.

6 0,231 0,226 0,31 0,298 0,35 0,332 0,365 0,358 0,368 0,372.

8 0,195 0,187 0,254 0,246 0,285 0,281 0,297 0,301 0,299 0,305.

10 0,168 0,166 0,212 0,204 0,235 0,228 0,244 0,242 0,246 0,248.

12 0,147 0,135 0,179 0,172 0,196 0,185 0,203 0,204 0,204 0,206.

14 0,13 0,122 0,151 0,143 0,163 0,156 0,168 0,169 0,168 0,175.

16 0,119 0,115 0,133 0,128 0,141 0,138 0,144 0,148 0,145 0,148.

Зарядное давление 0,5! Vina.

2 0,133 0,13 0,312 0,306 0,391 0,388 0,419 0,421 0,424 0,433.

4 0,121 0,119 0,243 0,238 0,302 0,303 0,325 0,321 0,329 0,336.

6 0,114 0,107 0,194 0,192 0,236 0,223 0,252 0,245 0,255 0,248.

8 0,108 0,104 0,158 0,146 0,185 0,178 0,196 0,195 0,198 0,202.

10 0,105 0,102 0,133 0,126 0,149 0,138 0,156 0,157 0,157 0,165.

12 0,103 0,102 0,117 0,112 0,126 0,118 0,13 0,132 0,131 0,134.

14 0,102 0,101 0,107 0,103 0,111 0,106 0,112 0,11 0,113 0,112.

16 0,102 0,101 0,102 0,101 0,103 0,101 0,103 0,101 0,103 0,101.

Зарядное давление 0,35 Мпа.

2 0,119 0,117 0,226 0,219 0,276 0,263 0,295 0,298 0,298 0,304.

4 0,112 0,11 0,18 0,174 0,216 0,218 0,23 0,232 0,233 0,235.

6 0,107 0,104 0,149 0,143 0,172 0,165 0,181 0,172 0,183 0,182.

8 0,104 0,102 0,127 0,121 0,141 0,142 0,146 0,145 0,147 0,15.

10 0,103 0,101 0,113 0,112 0,119 0,115 0,122 0,117 0,123 0,121.

12 0,102 0,101 0,105 0,101 0,107 0,105 0,108 0,105 0,108 0,107.

14 0,101 0,101 0,102 0,101 0,102 0,101 0,102 0,101 0,102 0,101.

16 0,101 0,101 0,101 0,101 0,101 0,101 0,101 0,101 0,101 0,101.

Рис. 5.7. Разрядка магистрали при зарядном давлении 0,65 МПа.

— экспериментальная зависимость;

——расчетная зависимость.

Их анализ показывает, что максимальная разница между экспериментальными и расчетными значениями давления в мерных точках магистрали не превышает 8%, что соответствует определенному выше требуемому уровню точности расчета. Эксплуатационный разброс основных параметров воздухораспределителей достигает 9,6%. Эта величина может быть принята в качестве предельно допустимого значения разности между расчетными и экспериментальными значениями параметров воздухораспределителя при доводке его математической модели.

5.3. Вождение поездов с локомотивами в голове состава.

Имеется общесетевой метод вождения поездов длиной до 400 осей массой до 8000 т и поездов длиной до 520 осей с составами из порожних вагонов. От него отличается метод вождения, который использовали на Целинной дороге, где длина груженого поезда достигает 500 осей при массе.

12 000 т. Поезда на Целинной дороге имеют маршрутные составы из полувагонов, обращающиеся без прохождения через сортировочные горки. Это исключает соударения вагонов с недопустимыми скоростями при расформировании составов на горке, приводящие к нарушению плотности тормозной сети и ослаблению крепления тормозного оборудования па вагонах, а, следовательно, позволяет обеспечить необходимую плотность тормозной сети.

Чтобы продольные силы при торможении не превышали допустимого уровня, равномерно по длине состава отключают воздухораспределители на ¼ части вагонов, т. е. на одном из четырех вагоновна двух хвостовых вагонах должны быть включены автотормоза. Таким образом общая тормозная сила поезда массой 12 000 т соответствует нормативной тормозной силе поезда массой 9000 т, а единая наименьшая норма тормозного нажатия составляет 220 кН на 100 т массы состава. Этот уровень соответствует нажатию, принимаемому при расчете безопасности движения для других схем формирования поездов массой 12 000 т с учетом возможной несинхронности управления тормозами при нечеткой работе или отказе радиосвязи.

Известные международные нормативы тормозных сил поездов массой более 10 000 т установлены с учетом продольных динамических сил. В пересчете на нажатия для чугунных тормозных колодок они составляют 150. 250 кН на 100 т массы, что соответствует нормам, принятым на отечественных железных дорогах.

Максимальная скорость движения по условиям длины тормозного пути устанавливается 80 км/ч при следовании на светофор с зеленым сигнальным огнем (зеленый огонь на локомотивном светофоре AJICH). В случае отказа AJICH максимальная скорость составляет 70 км/ч. Расстояние ограждения места внезапно возникшего препятствия на спуске до 0,006 включительно принято равным 1500 м.

Зарядное давление на локомотиве 0,55 мПа, в хвостовом вагоне 0,45 мПа. Отпуск автотормозов в пути следования производят, устанавливая ручку крана машиниста в положение I и выдерживая ее в этом положении до достижения давления в уравнительном резервуаре, превышающего на 0,05. 0,10 мПа нормальное зарядное. После этого ручку крана переводят в положение IV (перекрыша с питанием) и затем выдержав ее в этом положении в течение 40. 60 с, в поездное положениеэто позволяет увеличить выдержку повышенного отпускного давления (если уравнительный резервуар имеет достаточную плотность), а также ускорить отпуск и зарядку автотормозов. Такой прием рекомендуется использовать во всех поездах повышенной массы и длины с локомотивами в голове поезда, а также в соединенных поездах с пневматической синхронизацией. Изменениями и дополнениями МПС № Г-1211 у к инструкции ЦТ-ЦВ-ВНИИЖТ/4440 такой прием, но со временем выдержки ручки крана машиниста в положении IV, равным 30. 40 с, введен для всех грузовых поездов повышенной массы и длины. В поездах из порожних вагонов отпускают автотормоза без выдержки ручки крана машиниста в положении IV после сверхзарядкиее переводят из положения I в положение II.

Общие правила для всех поездов повышенной массы и длины с локомотивами в голове следующие.

Локомотивы должны иметь компрессоры типа КТ6 (КТ7) — компрессоры Э-500 можно использовать при двойной тяге с работой компрессоров по системе многих единиц. Стабилизатор крана машиниста регулируют на темп ликвидации сверхзарядного давления с 0,6 до 0,58 мПа за 100. 120 с.

Техническое обслуживание, ремонт и опробование автотормозов допускается выполнять раздельно в двух составах на разных путях, если нет свободного пути необходимой длины. При этом производится полное опробование автотормозов в каждом из составовзарядное давление, на которое регулируется установка для зарядки и опробования тормозов, в этом случае должно быть 0,4 мПа для порожних и 0,48. 0,50 мПа для груженых составов. На такое же зарядное давление регулируются краны машиниста локомотивов, обеспечивающих маневровое передвижение составов при их соединении.

На поездном локомотиве кран машиниста регулируется на зарядное давление 0,53. 0,55 мПа при груженом составе и на 0,48. 0,5 МПа при порожнем. Такие уровни зарядных давлений обеспечивают нормальный процесс отпуска тормозов состава в процессе формирования поезда. В тормозной магистрали хвостового вагона зарядное давление в груженом составе должно быть не менее 0,45 мПа, в порожнем — не менее 0,35 мПа.

Допускаемое инструкциями МПС зарядное давление 0,35 мПа в хвостовом вагоне порожнего состава недостаточно для надежного отпуска тормозов на равнинном режиме, поэтому следует обеспечить это давление не менее 0,4 мПа. Чтобы получить более высокое давление в хвостовых вагонах поезда, особое внимание следует обращать на утечки сжатого воздуха из тормозной сети во второй половине состава. Следует учитывать, что на режим работы и нагрев компрессоров утечки влияют практически независимо от расположения места утечки по длине поезда. Что же касается разницы давлений по длине магистрали и процесса отпуска и зарядки, то в этом отношении влияние утечек тем более неблагоприятно, чем дальше места утечек расположены от локомотива.

После соединения составов, прицепки поездного локомотива и подзарядки тормозной сети проверяют ее плотность.

Плотность тормозной сети, определяемая временем снижения давления в главных резервуарах локомотива, должна соответствовать данным табл.5.3.

Заключение

.

Теоретические и экспериментальные исследования динамики торможения тяжеловесных грузовых, поездов позволили установить взаимную связь между тормозными силами, продольными усилиями и тормозными путями, найти способы снижения продольных усилий, разработать требования к новым тормозным системам, наметить этапы повышения эффективности торможения, при реализации которых вес грузовых поездов может быть увеличен до 10 000. 15 000 т. Сформулированы научные положения и выводы, определяющие общие закономерности продольной динамики поезда при различных режимах торможения.

Эффективность торможения тяжеловесных грузовых поездов исследована по методике, учитывающей реальные физические процессы, происходящие в составе. Для определения тормозных путей поезда, рассматриваемого как единая масса, разработаны уточненные способы интегрирования дифференциального уравнения движения при установившемся и неустановившемся торможении. Наряду с известным методом суммирования по интервалам скорости применено непосредственное интегрирование уравнения движения при начальной и конечной скорости поезда. В процессе неустановившегося торможения вычисление тормозных путей выполнено численным интегрированием с использованием переменного значения расчетного тормозного коэффициента. Для перспективных тяжеловесных поездов построены расчетные тормозные номограммы.

Улучшение характеристик тормозов и совершенствование методов их эксплуатации значительно снизит продольные усилия в тяжеловесных грузовых поездах. Вождение одинарных и соединенных грузовых поездов весом 10 000. 12 000 т возможно по условиям продольной динамики при использовании пневматических тормозов. Необходимые тормозные пути обеспечиваются повышением силы нажатия композиционных колодок.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие основные выводы и рекомендации по тормозам и поглощающим аппаратам тяжеловесных грузовых поездов:

1. Основными характеристиками воздухораспределителей, влияющими на процессы торможения тяжеловесных грузовых поездов, являются скорость распространения тормозной волны, время наполнения и величина начального скачка давления в тормозных цилиндрах, вид диаграмм наполнения цилиндров у различных экипажей. Продольные динамические усилия уменьшаются нелинейно и непропорционально увеличению скорости тормозной волны: двойное увеличение скорости волны в зависимости от времени наполнения цилиндров снижает усилия в 1,8. 2,3 раза в поездах с однородными диаграммами ив 1,2. 1,4 раза в поездах с неоднородными диаграммами торможения. Так как скорость распространения максимальных возмущений в поездах в зависимости от величины зазора в автосцепках, крутизны силовой характеристики поглощающих аппаратов и масс экипажей находится в пределах 100. 250 м/с, то необходимо, чтобы скорость тормозной волны при всех режимах была выше указанных значений.

2. Установлено, что непропорционально в зависимости от видов индикаторных диаграмм изменяются продольные усилия в поездах при изменении времени наполнения цилиндров. Двойное увеличение этого времени приводит к снижению усилий в 1,5. 1,8 раза. Более заметно снижаются усилия при неоднородных диаграммах. С ростом времени наполнения усилия уменьшаются неравномерно: сначала более резко, а затем медленнее. Снижению продольных усилий в грузовых поездах способствует уменьшение скачка начального давления в тормозных цилиндрах.

3. Показано, что величина удельной тормозной силы влияет на продольные усилия не столь значительно, как на тормозные пути: при увеличении коэффициента нажатия колодок в 2 раза продольные усилия возрастают в 1,3 раза, а максимальные тормозные пути снижаются в 1,5. 2 раза. При максимальном коэффициенте силы нажатия композиционных колодок.

0,22, допустимом по условиям сцепления колес с рельсами и динамике торможения, тормозные пути тяжеловесных грузовых поездов могут быть снижены на 20. 25% по сравнению с тормозными путями поездов, оборудованных чугунными колодками.

4. Для перспективных грузовых поездов весом 10 000. 12 000 т и длиной 1400. 1500 м предложены оптимальные диаграммы наполнения тормозных цилиндров с начальным скачком давления 0,05. 0,07 мПа, временем наполнения на груженом режиме в головных вагонах 20. 24 с, в хвостовых 32. 36 с, скоростью распространения тормозной волны 280. 300 м/с и постоянным темпом роста тормозной силы вагонов. Применение таких тормозов позволит эксплуатировать тяжеловесные грузовые поезда со скоростью движения до 100 км/ч. Тормозные пути при экстренном торможении будут не более 1300 м.

5. Установлено, что большое влияние на динамику поезда оказывает характеристика подвижного состава: неоднородность вагонов, масса и погонная нагрузка, силовые характеристики поглощающих аппаратов. Неоднородность состава по типу вагонов приводит к росту продольных усилий при торможении примерно на 20%, а неоднородность и по загрузке — на 30. 35%. При одинаковых удельных тормозных силах рост продольных усилий почти пропорционален увеличению масс экипажей. Повышение погонной нагрузки в 1,5 раза увеличивает продольные усилия в 2 раза. При наиболее тяжелых режимах пневматического торможения уровень максимальных продольных усилий в поездах с мягкими характеристиками связей в 1,3. 1,5 раза, а с линейными — в 1,15. 1,2 раза ниже, чем в поездах с жесткими характеристиками связей.

По условиям динамики торможения тяжеловесных грузовых поездов целесообразно иметь поглощающие аппараты автосцепки с нежесткими силовыми характеристиками.

6. Дальнейшее увеличение веса грузовых поездов до 15 000. 20 000 т возможно при решении задачи автоматического управления локомотивами, находящимися внутри соединенного состава. Использование в соединенных поездах, сформированных из трех-четырех составов, системы управления кранами машиниста по радио обеспечит необходимую плавность торможения.

Реализация рекомендуемых путей и этапов повышения эффективности торможения увеличит вес и скорость движения грузовых поездов при обеспечении необходимой плавности движения и будет способствовать повышению провозной и пропускной способности железных дорог.