Výpočty trakce

Trakční výpočty  jsou aplikovanou částí teorie trakce vlaku , která zohledňuje podmínky pohybu vlaku a řeší problémy související s určením sil působících na vlak a zákonitostí pohybu vlaku pod vlivem těchto sil.

Historie výpočtů trakce

V roce 1814 provedli William Gedley a Timothy Gakward v Anglii první experimenty s experimentálním hodnocením adhezních sil kol parní lokomotivy s kolejnicemi . V roce 1818 provedl George Stephenson první experimenty k určení sil odporu vůči pohybu vagónů . V letech 1825-1830. Český inženýr František Antonín Gerstner, který v Rakousku-Uhersku postavil koněspřežnou železnici, zjistil, že kůň unese na kolejích sedmkrát více nákladu než na polní cestě.

V roce 1858 publikoval profesor Ústavu Sboru železničních inženýrů A.G. Dobronravov svou práci „Obecná teorie parních strojů a teorie parních lokomotiv“, kde dal rovnici pohybu vlaku a podrobně zvážil prvky sil. odporu vůči pohybu. Profesor M.F.Okatov prováděl v roce 1869 pokusy „na klouzání“, to znamená, že velikost tažné síly určoval adhezí. V letech 1877-1879. konstruktér parních lokomotiv inženýr V. I. Lopušinskij prováděl na různých komunikacích pokusy s měřením odporu proti pohybu parní lokomotivy a vagonů pomocí dynamometrů.

V roce 1877 profesor L. A. Ermakov ve své práci „Stanovení spotřeby paliva parními lokomotivami“ vědecky rozvinul základy trakčních výpočtů pro určení hmotnosti vlaku, jízdní doby, přípustné rychlosti vlaků brzdami, spotřeby paliva a vody. V roce 1883 uvažoval L. A. Ermakov o povaze odporu proti pohybu na vodorovné a rovné trati, na svazích a v zakřivených úsecích trati.

V roce 1880 inženýr A.P. Borodin vytvořil stojan pro testování parních lokomotiv v kyjevských železničních dílnách. Hnací dvojkolí parní lokomotivy 1-2-0 bylo odděleno od párové a vyzdviženo nad kolejnice, jeden z obvazů byl otočen pod řemenici řemenového pohonu. Jako náklad pro parní lokomotivu sloužilo strojní vybavení dílen. Nevýhodou stojanu byl limit zatížení - 65-70 kW při 100 ot./min hnacích kol, což odpovídalo rychlosti 30 km/h.

V roce 1889 vyšla práce profesora Petrohradského technologického institutu N.P.Petrova „Odpor vlaků na železnici“, ve které byly složky sil odporu proti pohybu vlaku a vliv různých faktorů na jejich velikost. teoreticky uvažováno. V roce 1892 navrhl výpočtové vzorce pro stanovení odporu proti pohybu kolejových vozidel.

V letech 1903-1904. V závodě Putilov v Petrohradě byla vybudována zkušební stanice kluziště. Každá hnací náprava lokomotivy byla uložena na kladce, jejíž věnec měl profil hlavy kolejnice, vodicí a nosná dvojkolí spočívala na kolejích. Lokomotiva byla připojena přes dynamometr k masivnímu hřebenu. Brzděním válců vznikla požadovaná stálá zátěž lokomotivy.

V roce 1898 začal inženýr Yu.V. Lomonosov provádět provozní zkoušky parních lokomotiv jako součásti vlaků jménem trakční služby železnice Charkov-Nikolajev. Od roku 1908 se na všech železnicích prováděly trakční a tepelně technické zkoušky parních lokomotiv podle jím navrženého způsobu. V roce 1912 byl pod Ministerstvem železnic vytvořen „Úřad pro pokusy o typech parních lokomotiv“, v jehož čele stál Yu.V. Lomonosov. Ministerstvo železnic schválilo „Pravidla pro výrobu srovnávacích pokusů na typech parních lokomotiv“, která jsou povinná pro zkoušení parních lokomotiv na státních drahách. Na základě provedených zkoušek byly vytvořeny technické pasy pro parní lokomotivy téměř všech řad provozovaných na ruských drahách. V roce 1917 schválilo ministerstvo železnic „Prozatímní řád pro výrobu trakčních výpočtů“, vytvořený na základě práce „Pokusného úřadu“.

V roce 1932 byl v blízkosti stanice Butovo postaven „Experimentální železniční okruh“ o průměru 1912 m, určený pro testování kolejových vozidel. V roce 1935 byl okruh elektrifikován, což umožnilo vyzkoušet první elektrické lokomotivy řady VL19 a S11. Všechny nové typy lokomotiv jsou testovány na okruhu za účelem zjištění jejich trakčních charakteristik.

Výpočty trakce

Používají se výpočty trakce:

Zjednodušení použitá ve výpočtech

Pokud se cesta neskládá z přímých úseků, uchýlí se k narovnání profilu cesty.

Narovnání profilu trati a určení odhadovaného vysokorychlostního stoupání a maximálního klesání

Pro zlepšení přesnosti výsledků výpočtů trakce, jakož i snížení jejich objemu a času pro jejich realizaci je nutné napřímit dráhový profil daného úseku.

Rovnání profilu trati je založeno na rovnosti mechanické práce na rovnaném profilu a na skutečném profilu.

Narovnání profilu spočívá v nahrazení dvou nebo více sousedních prvků podélné dráhy jedním prvkem, jehož délka s c  je rovna součtu délek narovnaných prvků ( s 1 , s 2 , . . . . , s n ) tj.

s С \u003d s 1 + s 2 + .... + s n,

sklon i” c  se vypočítá podle vzorce


Aby byly výpočty rychlosti a doby pohybu vlaku po úseku dostatečně přesné, je nutné prověřit možnost rovnání

skupiny profilových prvků podle vzorce:

kde s i je délka narovnaného úseku, m;

Δi je absolutní hodnota rozdílu mezi sklonem narovnaného úseku a sklonem kontrolovaného prvku , 0/00 ,

Této kontrole podléhá každý prvek rektifikovatelné skupiny. Čím kratší jsou prvky rektifikované skupiny a čím blíže jsou ve strmosti, tím je pravděpodobnější, že jejich test na splnění podmínky bude pozitivní.

Oblouky na narovnaném úseku jsou nahrazeny fiktivním sklonem, jehož strmost je určena vzorcem

kde Skri  a R i jsou délka a poloměr oblouku v narovnaném úseku, m.

Strmost narovnaného úseku s přihlédnutím k fiktivnímu stoupání z oblouku

Hodnoty i'c bereme kladné pro pohyb tam a hodnoty zpětného pohybu i ' c  záporné, tzn . stoupání se stává sestupem.

Nemůžete narovnat následující prvky: odhadované stoupání, strmé stoupání, nejstrmější klesání. Plošiny na úseku mezi prvky různých značek také nelze zahrnout do narovnání. Narovnaný profil si musí zachovat všechny vlastnosti skutečného profilu, pokud jde o vzájemnou polohu zvednutých a snížených bodů.
Po narovnání profilu trati jej analyzujeme, abychom identifikovali vypočítané stoupání, vysokorychlostní stoupání a nejprudší klesání.

Návrhový výtah se nazývá takový výtah, na kterém je nastavena návrhová rychlost, tento výtah je nejtěžší úsek. i calc = 8,0 ‰.

Krátké stoupání se strmostí větší než vypočtená je takové stoupání, při kterém je i calc <i cr, ale jeho délka je menší než vypočtená, a proto jej vlak celkem snadno překoná i cr = 8,0 ‰.

Prudké klesání je nejprudší klesání, při kterém je potřeba vlak přepnout na volnoběh a zároveň použít brzdu i cpu = -6,8 ‰

Výpočet hmotnosti kompozice

Hmotnost vypočítáme podle vzorce:

kde F cr je vypočtená tažná síla lokomotivy, kgf;

hodnota vypočtené rychlosti je rovna V p

i p - strmost vypočítaného stoupání,

P je odhadovaná hmotnost lokomotivy, m

w, 0 - základní měrný odpor lokomotivy, kgf/t

Závisí na rychlosti a určuje se podle vzorce:

w,, 0 - hlavní měrný odpor kompozice v kgf / t, vypočítáme také pro návrhovou rychlost podle vzorce

kde alfa, beta a gama jsou podíly 4, 6 a 8 nápravových vozů v daném hmotnostním složení

Kontrola hmotnosti kompozice

Bereme v úvahu, že před zdoláním strmého úseku skladbě předcházejí lehké profilové prvky. V tomto případě dráha, jejíž strmost je rovna 8,0 0 / 00 , projetá vlakem, s přihlédnutím ke kinetické energii

kde V n je rychlost na začátku kontrolovaného výtahu, tzn. toto je rychlost, která byla vyvinuta na předchozím prvku

V až - rychlost na konci kontrolovaného stoupání

(f k - w k ) cf - měrná síla, počítáme pro průměrnou hodnotu rychlosti

Hodnota průměrné rychlosti je:

Kontrola hmotnosti vlaku po délce přijímacích a odjezdových kolejí stanice

Chcete-li zkontrolovat hmotnost vlaku po délce přijímacích a odjezdových kolejí, musíte nejprve určit počet vozů ve vlaku a délku vlaku.

Počet vozů ve vlaku:

4 osy:

8 náprav:

Vypočítejte celkovou délku vlaku pomocí vzorce:

kde Ll je délka lokomotivy

Výpočet a konstrukce křivek zrychlujících a zpomalujících sil

Výpočet diagramu měrných výsledných sil se provádí pro tři režimy jízdy vlaku po vodorovném úseku:

1) pro režim trakce

2) na volnoběh

3) pro režim brzdění:

při provozním brzdění

při nouzovém brzdění

Výpočet se provádí s ohledem na otáčky od 0 do návrhové, dále pro vypočtené otáčky a rychlost dosažení automatické charakteristiky

Síly působící na vlak Tažná síla

Tažná síla lokomotivy v závislosti na rychlosti je dána trakčními charakteristikami, které jsou stavěny pro nové pneumatiky v souladu s charakteristikami trakčních motorů odebraných na zkušební stolici nebo při provozních zkouškách. Tažná síla lokomotivy nemůže překročit adhezní síly hnacích kol lokomotivy s kolejnicemi.

,

kde F K  je přítlačná síla;
P je "spojovací" hmotnost lokomotivy (součet zatížení na kolejích od všech hnacích kol);
ψ je koeficient adheze.

Koeficient tření kola s kolejnicí je maximální na parkovišti a klesá s rostoucí rychlostí lokomotivy. Protože skutečný koeficient adheze závisí na náhodných faktorech, jako je stav trati a atmosférické podmínky, je nahrazen vypočteným koeficientem tření ψ K , jehož hodnota je určena empirickými vzorci na základě výsledků četných experimentů v reálném provozu. úkon. V nejjednodušším případě pro lokomotivy:

,

kde v je rychlost pohybu, km/h.

Pohybový odpor

Odpor proti pohybu vlaku se nazývá síla působící v místech styku kol s kolejnicemi, k jejímuž překonání je vynaložena stejná práce jako k překonání všech nekontrolovaných sil, které pohyb brání. Odpor je odporová síla každé jednotky hmotnosti vlaku.

,

kde w je měrný odpor;
W je celkový odpor, N;
P je hmotnost lokomotivy, kN;
Q je hmotnost vlakových vozů, kN.

Hlavní odpor se nazývá síly, které brání pohybu kolejových vozidel po přímé vodorovné dráze na otevřeném prostranství za normálních povětrnostních podmínek při jakékoli dovolené rychlosti. Hlavní odpor tvoří:

  • odolnost proti tření v nápravových ložiscích;
  • odolnost proti valivému tření kol na kolejích;
  • odolnost proti kluznému tření kol na kolejích;
  • rozptyl energie při interakci kol s kolejnicemi (ztráta energie na spojích a nerovnostech koleje, pružná deformace kolejnic a pražců);
  • odpor vzduchu;
  • rozptyl energie do okolí při vertikálních oscilacích odpružených částí kolejového vozidla a škubání po délce vlaku.

Vlivem mnoha faktorů je prakticky nemožné stanovit analytické závislosti pro výpočet hlavního měrného odporu, jeho hodnota se získává výhradně experimentálně. Výsledkem zpracování experimentálních dat jsou empirické vzorce nebo grafy. Například pro čtyřnápravový vozík na válečkových ložiskách pohybujících se po spojovací dráze

,

kde q 0  je zatížení od dvojkolí na kolejích.

Další odpory se nazývají dočasné síly, které vznikají ve specifických provozních podmínkách kolejových vozidel:

  • od sklonu profilu trati;
  • od zakřivení dráhy;
  • od větru;
  • z nízké teploty;
  • z tunelů;
  • z podvozkových generátorů osobních automobilů.

Dodatečný měrný odpor vůči pohybu ze svahu se bere rovný hodnotě sklonu v ppm.

.

Další specifický odpor proti pohybu v zakřivených úsecích trati vzniká z následujících důvodů:

  • kola stejného dvojkolí jedou po vnějších a vnitřních kolejnicích odlišnou dráhou (zúžení pneumatik tento rozdíl snižuje), což vede ke zvýšení prokluzu kol;
  • působením odstředivé síly jsou hřebeny kol přitlačovány k vnitřnímu bočnímu čelu vnější kolejnice, čímž se zvyšuje kluzná třecí síla;
  • podvozky kolejových vozidel se otáčejí vzhledem k ose skříně, v důsledku čehož vznikají kluzné třecí síly v podpěrách, otočných zařízeních a nápravových skříních.

Dodatečný specifický odpor proti pohybu z oblouku se vypočítá podle empirických vzorců, když je délka vlaku delší než délka oblouku

,

kde R je poloměr křivky;
s KP  je délka křivky;
l P  je délka vlaku.

Když je délka vlaku menší nebo rovna délce oblouku

.

Při provádění výpočtů, které vyžadují zvýšenou přesnost, se bere v úvahu také rychlost vlaku a převýšení vnější koleje.

Dodatečný měrný odpor proti pohybu způsobený působením čelního nebo bočního větru se stanoví ve zlomcích hlavního měrného odporu pomocí koeficientu K B .

.

Koeficient K B se určuje z tabulek nebo nomogramů a závisí na rychlosti větru, rychlosti kolejových vozidel a hustotě vzduchu. Seznam lokalit, pro které se používá korekce větru a rychlosti větru pro každé období, je sestaven na základě výsledků dlouhodobých meteorologických pozorování.

Při nízkých teplotách venkovního vzduchu se zvyšuje jeho hustota, zvyšuje se aerodynamický odpor proti pohybu, zvyšuje se viskozita maziva v nápravě a axiálních ložiskách motoru a zvyšují se v nich třecí síly. Dodatečný specifický jízdní odpor v důsledku nízké venkovní teploty se zohledňuje při teplotách pod -25 °C pomocí koeficientu K HT

.

Koeficient K HT se určuje z tabulek v závislosti na rychlosti vlaku a venkovní teplotě.

Dodatečný specifický odpor při pohybu v tunelech vzniká v důsledku zvýšení odporu, efektu redukce v zadní části vlaku a výskytu turbulence mezi stěnami tunelu a vlaku.

.

Koeficient K T závisí na rychlosti vlaku a počtu kolejí v tunelu. Ve dvoukolejném tunelu je odpor vůči pohybu vzduchu mnohem menší než v tunelu jednokolejném.

Dodatečný odpor od podvozkových generátorů osobních automobilů je zohledněn při rychlostech 20 km/h a vyšších.

,

kde P' je průměrný jmenovitý výkon generátoru podvozku.

Ve vysokorychlostních vlacích, které mají centralizované napájení z lokomotivy nebo elektrárenského vozu, nejsou žádné generátory podvozku.

Proces vzdalování se od místa kolejového vozidla po dlouhých zastávkách (20 minut a více) probíhá za podmínek polosuchého a suchého tření. Během doby parkování se zničí olejový klín mezi třecími částmi nápravového ložiska, sníží se teplota a zvýší se viskozita maziva. Parkování je doprovázeno výrazným drcením kovu v oblasti dotykové plochy, což zvyšuje ztráty z valivého tření podél kolejnic. Dodatečný rozběhový odpor pro valivá ložiska

. Brzdná síla

Brzdná síla vlaku je definována jako součet součinů skutečných přítlačných sil brzdových destiček K a skutečných koeficientů tření destiček φ K nebo jako součin součtu vypočtených (redukovaných) přítlačných sil. K P a vypočtený koeficient tření podložek φ KP .

.

Se zvyšující se rychlostí a specifickým lisováním destiček se zvyšuje množství tepla vznikajícího při tření destičky o kolo, zvyšuje se teplota kovu kotouče a destičky, povrchová vrstva se stává plastičtější, v důsledku z nichž koeficient tření klesá. Koeficient tření se vypočítá pomocí empirických vzorců, například pro standardní litinové brzdové destičky

.

Skutečná přítlačná síla je dána tlakem vzduchu v brzdovém válci (brzdové válce mají otvory pro připojení tlakoměru), plochou pístu, silou vypínací pružiny, pákovým poměrem brzdy, počtem destiček působících z jednoho válce, účinností válce a vliv. Pro zjednodušení výpočtů se používá vypočtená lisovací síla a vypočtený koeficient tření. Vzorec pro stanovení vypočteného koeficientu tření pro litinové podložky je

.

Vypočtené lisovací síly jsou stanoveny podle norem stanovených pro každý typ lokomotivy, vagónu a jeho zatížení. Aby se zabránilo smyku, nesmí brzdná síla generovaná brzdicími prostředky každého páru kol překročit adhezní sílu páru kol ke kolejnicím.

Vypočtený brzdný koeficient je poměr součtu vypočtených lisovacích sil k hmotnosti vlaku

.

Při výpočtech, kde se bere v úvahu použití nouzového brzdění, se bere vypočtený koeficient brzdění rovný jeho plné hodnotě, při plném provozním brzdění se bere vypočtený koeficient brzdění rovný 0,8 jeho plné hodnoty. Pro kontrolní brzdění je hodnota vypočteného brzdného koeficientu v závislosti na brzdném stupni určena z tabulek.

Výpočet hmotnosti kompozice

Hmotnost vlaku a rychlost vlaku se určuje z podmínky plného využití výkonu lokomotivy a kinetické energie vlaku. Hmotnost vlaku je určena na základě podmínky pohybu po vypočteném (naváděcím) stoupání rovnoměrnou rychlostí a po nejobtížnějším stoupání nerovnoměrnou rychlostí s využitím kinetické energie vlaku. Hmotnost vlaku za podmínky pohybu rovnoměrnou rychlostí při vypočteném stoupání se určí z podmínky rovnosti tažných sil a odporu proti pohybu vlaku podle vzorce

,

kde w' 0  je hlavní měrný odpor lokomotivy;
w'' 0  je hlavní měrný odpor vozů.

Hmotnost kompozice pro průchod nejtěžším stoupáním pomocí kinetické energie je určena metodou výběru. K tomu se určí hmotnost kompozice pro vypočítaný zdvih a zkontroluje se možnost absolvování nejobtížnějšího zdvihu. Pokud je rychlost na konci kontrolovaného prvku menší než vypočítaná (minimální přípustná), hmotnost kompozice se sníží a výpočet se opakuje.

Kontroluje se také hmotnost vlaku na podmínku rozjezdu ve stoupání, přičemž výsledná zrychlovací síla musí být větší než nula.

Řešení problémů s brzděním

Úkoly brzdění jsou úkoly určení brzdových prostředků, které zajišťují snížení rychlosti nebo úplné zastavení vlaku na požadovanou vzdálenost, a úkoly stanovení vzdálenosti, na které může vlak se známými brzdovými prostředky zastavit nebo snížit rychlost na daná hodnota. Kvůli setrvačnosti brzdového systému nedochází ke zvýšení brzdné síly u různých vozů současně. Pro zjednodušení výpočtů se předpokládá, že brzdná síla se okamžitě zvýší na ustálenou hodnotu po určité době t p , která se nazývá doba přípravy brzd k činnosti. Čas na přípravu brzd k činnosti se prodlužuje s narůstající délkou složení a ve výpočtech se používají i korekce sklonu a velikosti brzdné síly.

Brzdná dráha se rovná součtu přípravné brzdné dráhy (dráha ujetá při přípravě brzd) a skutečné brzdné dráhy. Hodnota skutečné brzdné dráhy je obvykle určena numerickou integrací pohybové rovnice v rychlostních intervalech.

Určení maximální dovolené rychlosti podle vypočteného brzdného tlaku v závislosti na velikosti sklonu

Provádí se hledání nejstrmějšího klesání s danými brzdnými prostředky a přijatelnou celkovou brzdnou dráhou rovnou . Metoda řešení je graficko-analytická. Celková brzdná dráha je:

kde Sp je dráha přípravy brzd k činnosti, během níž jsou brzdy vlaku podmíněně považovány za neaktivní (od okamžiku, kdy je rukojeť jeřábu strojvedoucího nastavena do polohy brzda, dokud nejsou brzdy vlaku zapnuty).

S d je skutečná brzdná dráha, po které se vlak pohybuje s brzdami v plné síle

Výpočet cestovní doby Degtyarevovou metodou

Pro konstrukci je nutné vyrobit šablonu ve formě rovnoramenného trojúhelníku. Pro naše měřítko jsou rozměry trojúhelníku následující: základna je 60 mm, výška je 180 mm. Po zhotovení šablony začneme se stavbou. Když se vlak rozjede ze stanice „A“, jeho rychlost se odpovídajícím způsobem zvýší, časová křivka by se měla zvýšit, aplikujeme základnu šablony tak, aby úhel jedné z jejích stran a základny spočíval na začátku stanice „A“ , nakreslete čáru podél šablony od nuly k průsečíku s rychlostí . Z přijatého bodu nakreslíme čáru podél druhé rovnoramenné strany k základně. Dále postavíme stejný trojúhelník, který také omezíme na již sestrojenou rychlostní křivku.

Dále pokračujeme ve stavbě trojúhelníků jeden vedle druhého. Výsledkem je, že čím vyšší rychlost, tím větší trojúhelník a jeden trojúhelník se rovná jedné minutě. Tyto trojúhelníky spočítáme tak, že sestrojíme časovou křivku, k tomu promítneme úsečku, na které se trojúhelník rovná minutě končí, na úsečku, která odpovídá hodnotě 1 minuty, a spojíme bod, který odpovídá této minutě, s další. minuta. Získáme tak křivku s intervaly od minuty do další minuty, tzn. od konce jednoho trojúhelníku ke konci jiného trojúhelníku. Je třeba mít na paměti, že časová křivka se zvyšuje, proto, když je pořadnice rovna 10 minutám, křivku odřízneme a bod zlomu posuneme dolů. Křivka je tedy každých 10 minut odříznuta. V našem případě na základě stupnice je jeden trojúhelník roven 0,1 minutě.

Vykreslení křivky rychlosti

Rychlostní křivka je graf závislosti rychlosti vlaku na ujeté vzdálenosti. Pod osou úsečky je podmíněně zobrazen profil cesty. Obvykle se pro složení vypočtené hmotnosti sestaví křivka jízdní rychlosti při stanovení nejkratší doby jízdy vlaku na daném úseku. Výpočet se provádí grafickou metodou, pomocí diagramů zrychlujících a zpomalujících sil, nebo integrací pohybové rovnice vlaku. Výsledek výpočtu se použije při přípravě jízdního řádu vlaků.

Literatura

  • Astakhov P. N. „Odolnost vůči pohybu železničních kolejových vozidel“ Sborník Ústředního výzkumného ústavu Ministerstva železnic. Vydání 311. - Moskva: Doprava, 1966. - 178 s.
  • Deev V. V., Ilyin G. A., Afonin G. S. Učebnice „Trakce vlaků“. - Moskva: Doprava, 1987. - 264 s.
  • Pravidla výpočtů trakce pro vlakovou práci. — M.: Doprava, 1985. 287 s.