Вес и скорость движения грузовых поездов
НОРМА МАССЫ грузовых поездов — один из основных показателей, во многом определяющий количественную и качественную стороны эксплуатации ж. д. и прежде всего размеры движения, мощность локомотивов, полезную длину станционных приемо-отправочных путей, динамическую прочность сцепных приборов и рам вагонов.
Общие сведения
С ней связаны не только наличная пропускная и провозная способность железнодорожной линии, но и, в определенной мере (при заданном типе локомотива), скорость движения, а следовательно, и потребность в вагонном и локомотивном парках для освоения заданного объема перевозок. Масса поезда во многом определяет и эксплуатационные требования к мощности пути, искусственным сооружениям, параметрам технического оснащения станций, конструкции вагонов и локомотивов, устройствам автоматики, телемеханики и связи. Таким образом выбор рациональной массы поезда представляет собой важную и сложную технико-экономическую проблему, тесно связанную с увеличением провозной способности ж. д., затрагивающую их развитие и эксплуатацию. Если рассматривать лишь часть этой проблемы, наиболее тесно связанную с пропускной и провозной способностью, то и тогда из-за разнообразия условий эксплуатации линий приходится решать довольно широкий круг задач.
Разнообразие условий определяется неоднородностью профиля пути в пределах участков работы локомотивов и структуры грузопотоков, из которых формируют составы поездов для одной и той же линии, разнообразием типажа локомотивов, неравномерностью распределения объемов перевозочной работы на линиях сети, а также темпов роста или сокращения грузовых и пассажирских потоков. К тому же, выбирая оптимальные нормы массы, приходится учитывать их ограничения, с одной стороны, силой тяги локомотива, а с другой — полезной длиной приемо-отправочных путей.
Весовые нормы
Весовые нормы поездов, ограниченные мощностью данного локомотива, создают наилучшие условия для его эффективного использования. При этом может быть не использована полезная длина станционных путей, что невыгодно прежде всего из-за искусственного завышения размеров движения и необходимости приближения затрат на усиление пропускной способности линии при растущих грузопотоках. Весовые нормы поездов, ограниченные полезной длиной станционных приемо-отправочных путей и наибольшей погонной нагрузкой подвижного состава, являются максимально возможными для данного участка, обеспечивают наименьшие размеры движения и, следовательно, наиболее полное использование пропускной и провозной способности линии, отдаляют затраты по ее развитию. Но для таких весовых норм не всегда можно подобрать соответствующую мощность локомотива, так как она возрастает довольно крупными ступенями, особенно у электровозов. Это чаще всего неэффективно, даже если излишняя мощность тяги используется для увеличения ходовой скорости поездов. Несмотря на то, что графиком движения на каждом направлении предусмотрена определенная весовая норма поездов, фактические их веса не совпадают с этой нормой. Объясняется это тем, что расчетные весовые нормы устанавливают чаще всего исходя из мощности тяговых средств и профиля пути на участке или направлении. Фактически же составы ограничены еще и полезной длиной станционных приемо-отправочных путей. Погонная нагрузка отдельных струй вагонопотоков весьма различна и поэтому одни составы имеют расчетный вес при длине меньше максимально возможной, другие не достигают установленной весовой нормы. В первом случае поезда считаются полновесными, во втором — полносоставными.
Отклонения фактических весов поездов от установленной графиком движения нормы в большую сторону нередко связаны с применением частичной кратной тяги; при отклонении фактических весов поездов в меньшую сторону от нормы часто имеет место недоиспользование мощности тяговых средств.
Мощность тяговых средств
Мощность тяговых средств можно использовать либо на повышение веса, либо на увеличение ходовой скорости поезда. При весьма разных фактических весах поездов и одном и том же типе локомотивов мощность их может быть использована полностью, если каждый поезд будет следовать с наибольшей скоростью, соответствующей его весу и мощности локомотива. Практически, однако, и такое использование тяги невозможно: в графике движения для всех поездов, независимо от их веса и тяговых средств, проложена одна и та же расчетная ходовая скорость. Она определяется наименьшей удельной мощностью тяги — числом лошадиных сил, приходящихся на 1 т веса поезда с локомотивом. Средний вес поезда на направлении при заданном объеме перевозок определяет размеры движения грузовых поездов. Средний вес брутто грузовых поездов и участковая скорость на линиях, оборудованных электрической тягой, выше, чем на линиях, обслуживаемых тепловозами.
При заданном типе локомотива решается задача наиболее рационального использования его мощности: доведением массы поезда до наибольшей величины или установлением меньшей массы для увеличения скорости движения. Критерием выбора является провозная способность, которая зависит как от среднего веса поезда, так и от скорости его движения.
При тепловозной тяге мощность локомотива в широком диапазоне скоростей почти постоянна. Следовательно, наибольшая производительность тепловозов, а значит максимальная провозная способность линии и наименьшая себестоимость перевозок достигаются при использовании мощности тепловозов на увеличение массы поезда. При электрической тяге это положение тем более справедливо, так как с увеличением скорости электровоза сила его тяги уменьшается. Оптимальная масса поезда при данном типе локомотива ограничена расчетной силой тяги или длиной приемо-отправочных путей. Из этого общего правила необходимо выделить исключения.
При значительных размерах пассажирского движения на двухпутных линиях уменьшение массы грузовых поездов для приближения их скорости к скорости пассажирских может уменьшить съем с графика. В этом случае наибольшей провозной способности линии можно добиться при массе поезда, несколько меньшей максимально возможной по силе тяги или длине путей.
При существенно неоднородной структуре грузопотока, когда массу поездов на линии ограничивает длина приемо-отправочных путей, наибольшая провозная способность не всегда соответствует максимально возможной по погонной нагрузке норме массы. В этом случае оптимальную норму массы необходимо устанавливать по максимуму провозной способности, учитывая распределение поездопотока по погонной нагрузке. В связи с тем, что прирост средней массы поезда в этих условиях не прямо пропорционален увеличению его нормы, а снижение скорости движения поезда из-за параллельности графика распространяется на весь поток, изменение провозной способности носит экстремальный характер. Средняя масса поезда заметно увеличивается только до определенного предела. При этом провозная способность линии достигает максимума, дальнейшее увеличение нормы массы приводит к уменьшению провозной способности линии.
При одновременном выборе массы и типа локомотива расчет ведется аналогичным способом при замене реальных локомотивов условными с постоянной удельной мощностью (на единицу массы поезда). При этом для каждого вида тяги на одном и том же профиле средние ходовые скорости движения поездов различной массы также одинаковы. По критерию суммарных приведенных затрат устанавливаются масса поезда и мощность условного локомотива, по которой и выбирается реальный локомотив.
Станционные пути, технические требования
Оптимальная длина станционных путей зависит от многих факторов, важнейшим из которых является величина грузопотока на рассматриваемом направлении. Так, при грузопотоке 10-14 млн т выгодна длина 1250 м, более 16 млн т — 850 м. Расчеты показывают, что в различных условиях наивыгоднейшая полезная длина станционных путей на однопутных линиях 1050—1250 м и на двухпутных — 850—1050 м. Ей соответствуют оптимальные нормы массы поездов от 4 до 6 тыс. т в зависимости от грузопотока и погонной нагрузки подвижного состава. С внедрением большегрузного подвижного состава наибольшую массу поездов можно повысить до 8-10 тыс. т.
Из-за ограничений по длине станционных путей на ряде линий мощности современных локомотивов не полностью используются на увеличение массы поездов. В то же время на некоторых станциях могут быть пути длиной, превышающей стандартную для этих линий. С другой стороны, в конкретных условиях массу поездов не всегда устанавливают по максимуму провозной способности. На линиях с достаточными резервами пропускной способности на первый план выдвигают снижение себестоимости перевозок и затрат на техническое оснащение. На решение таких задач влияют не только внутренние особенности данной линии, но, главным образом, условия ее взаимодействия с примыкающими участками и направлениями, а также взаимосвязь норм массы поезда с системой тягового обеспечения поездной работы на направлениях и полигонах.
Для части поездов, пропуск которых возможен при использовании на линии путей, превышающих стандартную длину, так же как и для поездов, поступающих на линию с боковых участков или следующих на эти участки с основного хода, устанавливают параллельные нормы массы, чтобы не переформировывать их и пропускать без перелома массы. Целесообразность параллельных норм, их технико-экономическое обоснование определяются сравнением вариантов с едиными и параллельными нормами.
Эффективность параллельных норм массы существенно зависит от подбора локомотивов для поездов разной массы и возможностей использования избыточной мощности для повышения ходовой скорости. На однопутных линиях параллельные нормы массы, вызывающие увеличение размеров движения, менее выгодны, чем на двухпутных.
На грузонапряженных двухпутных линиях параллельные нормы массы широко применяются при переходе поездов с линий, имеющих стандартную длину путей 1050 м, на линии с длиной путей 850 м. Используя в этих случаях отдельные пути станций с длиной 1050 м и более, на линиях со стандартом 850 м можно значительную часть поездов повышенной массы и длины пропускать на сетевых направлениях большой напряженности. Примером может служить направление Кузбасс — Центр европейской части России.
Из-за неоднородности структуры грузопотоков на отдельных направлениях могут оказаться целесообразными различные нормы массы для разных назначений плана формирования. Такие нормы называются дифференцированными. Их устанавливают как для назначений плана формирования, так и внутри каждого из них с так называемым формированием поездов по массе. При этом поезда одного назначения как бы разделяются на два потока: составляемые из вагонов с относительно малой погонной нагрузкой и из вагонов с тяжелой нагрузкой. Поезда разной массы (дифференцированной) следуют по линии с локомотивами разных мощностей. Это позволяет более полно использовать в поездном движении как длину станционных приемо-отправочных путей, так и мощность локомотивного парка.
Основной фактор, сдерживающий переход на дифференцированные нормы массы вместо единых, ограничиваемых длиной путей и одной расчетной погонной нагрузкой или мощностью локомотивов,- сложность подбора последних для поездов разной массы. Эксплуатировать на одной линии локомотивы разных типов неудобно. Это ухудшает их использование и снижает их среднесуточный пробег. Секционирование локомотивов не всегда обеспечивает приемлемое в технико-экономическом отношении использование тяговых средств. Поэтому дифференцированные нормы массы поездов эффективны, прежде всего, при скачкообразном распределении грузопотоков по погонной нагрузке.
На участках направления с различными профильными условиями и техническим оснащением наивыгоднейшие массы поездов могут существенно отличаться один от другого. Если на каждом из них устанавливать свою оптимальную норму массы, то придется часто изменять ее на границах участков, что потребует увеличение затрат на развитие и оснащение станций. Участковая система норм массы — препятствие к удлинению участков обращения локомотивов — ведет к снижению их производительности. Поэтому на таких направлениях нормы массы унифицируют. Унификация норм массы предполагает единую на всем направлении наивыгоднейшую норму для наилучшего использования тяговых средств, длины станционных приемо-отправочных путей и пропускной способности линий. Число возможных вариантов норм массы и тягового обеспечения поездной работы на направлении определяют:
- число участков с различными профильными условиями и полезной длиной станционных приемо-отправочных путей;
- степень неоднородности структуры поездопотоков по участкам;
- типы локомотивов и возможные их комбинации в полной или частичной двойной тяге;
- условия выделения в отдельные поезда порожних вагонопотоков;
- возможные комбинации участков обращения локомотивов.
Стандарты длины станционных путей (850, 1050, 1250 м) были установлены с началом реконструкции ж.-д. транспорта при переходе от паровозной тяги к электрической и тепловозной. В начале 1980-х гг. ВНИИЖТ на основе тягово-технических испытаний на отечественных и зарубежных ж. д. разработал варианты схем формирования длинносоставных, тяжеловесных и соединенных поездов.
Исследования, выполненные в МИИТ и ВНИИЖТ позволили установить широкие возможности интенсификации поездной работы грузонапряженных направлений на основе перехода к групповому способу вождения и пропуска поездов. При определении принципов использования этих возможностей термин «соединенный поезд» и «поезд специального формирования» были заменены общим термином «блок-поезд». Блок-поезд включает два и более состава стандартной длины или установленной нормы с локомотивами, расположенными впереди, в конце или между составами. В блок-поездах, в отличие от соединенных поездов, используется меньшее число бригад и локомотивов. Так как на всяком направлении масса поездов, формируемых по длине путей, варьируется в широком диапазоне от минимальных до максимальных, при объединении двух или трех составов в один поезд какая-то часть блок-поездов может быть обеспечена тягой одного или двух локомотивов (вместо двух и трех соответственно). Высвобождение бригад возможно в большей, чем локомотивов, доле, так как мощности локомотивов (секций) могут перераспределяться и дополняться по их группам, расположенным между составами блок-поезда. С созданием в перспективе устойчиво работающих систем дистанционного управления локомотивами (например, СМЕТ-ради") доля высвобождаемых бригад в блок-поездах будет увеличиваться. Рациональные схемы формирования блок-поездов по критерию наибольшего высвобождения бригад и локомотивов в поездной работе устанавливаются при решении задач анализа организации и преобразования поездопотоков.