Вес состава и
скорость движения являются основными показателями работы
железнодорожного транспорта. Именно от них зависит выполнение заданного
объема перевозок и их себестоимость. Методы расчета массы поезда
являются составной частью тяговых расчетов в целом.
При расчете массы поезда и скорости его движения применяется
условие полного использования мощности локомотива. Масса состава должна
быть такова, чтобы при движении поезда по наиболее трудному подъему на
конкретном участке, скорость не падала ниже, чем это установлено для
данного типа локомотива. При равномерном движении поезда по такому
подъему сила тяги и полное сопротивление поезда уравновешивают друг
друга, то есть
Искусственно
создаваемые силы, приложенные к поезду и направленные против его
движения, называются тормозными. Они управляются машинистом локомотива.
На Российских железных дорогах существует два основных
способа торможения подвижного состава. Первый из них — это фрикционное
автоматическое торможение с использованием силы трения, возникающей при
воздействии тормозных колодок на поверхности катания колес (рис. 6.29)
или на тормозные диски. При втором способе применяется электрическое
торможение (реостатное или рекуперативное).
При колодочном тормозе тормозная сила зависит от
коэффициента трения между колодками и поверхностями катания колес, от
силы нажатия колодок и от числа тормозных осей в поезде.
Силами сопротивления называются внешние силы, приложенные к поезду и
направленные в сторону, противоположную движению. Некоторые из этих сил
действуют постоянно и создают основное сопротивление движению. К этим
силам относятся, в частности, силы трения в подшипниках, удары в
рельсовых стыках, силы трения между колесами и рельсами, сопротивление
воздушной среды.
За основное принимают сопротивление, которое испытывает
поезд при движении по прямому горизонтальному участку пути с
равномерной скоростью при нормальных метеорологических условиях, то
есть при температуре от минус 10 до плюс 20 градусов Цельсия и при
скорости ветра не более 5 м/с.
Временно действующие силы сопротивления создают
дополнительное сопротивление движению поезда. Оно появляется при
движении по кривому участку пути, на подъем, при метеоусловиях,
отличных от нормальных и в некоторых других случаях.
В тяговых расчетах принято, что все силы сопротивления,
измеряемые в килограммах, относят к одной тонне веса поезда и называют
удельными. Они измеряются в кГс/тс. Основное удельное сопротивление
движению локомотива обозначается wo', а движению вагона wo".
Основное сопротивление движению локомотивов рассматривается
как сопротивление перемещению любой повозки, так как оно возникает в
экипажной части. В этом случае считается, что зубчатые передачи от
тяговых электродвигателей к движущим осям разъединены. Поэтому основное
удельное сопротивление локомотива wQ' часто называют удельным
сопротивлением локомотива как повозки.
Так как на локомотивах всегда имеются тяговые
электродвигатели, а также передаточный механизм от них к ведущим осям,
то появляется дополнительное сопротивление от сил трения в механической
передаче и от потерь электроэнергии в тяговых электродвигателях. Это
дополнительное сопротивление называется сопротивлением локомотива, как
машины. В тяговых расчетах оно не учитывается, так как сила тяги на
ободе колеса FK определяется с учетом КПД локомотива.
Тяговой характеристикой локомотива называется зависимость силы тяги от
скорости движения FK =f(v). Наибольшая величина силы тяги необходима
при трогании поезда с места, при наборе скорости и при движении по
наиболее крутому подъему. Если бы величина FK не зависела от скорости,
а была бы все время постоянной, то тяговая характеристика изображалась
бы прямой линией АБ, параллельной оси абсцисс, как это показано на рис.
6.23.Так как реализуемая мощность локомотива равна произведению силы
тяги на скорость (NK = FK • v), то ее зависимость от скорости при FK =
const выражается прямой линией ОС" (рис. 6.24). При этом полная
мощность используется только при максимальной скорости. При меньших
скоростях движения мощность локомотива недоиспользуется. В тоже время
профиль пути состоит из подъемов, площадок и спусков, то есть является
переменным. На подъемах сила тяги требуется больше, а скорость всегда
меньше, а на спусках наоборот. В идеальном случае при переменном
профиле пути тяговая характеристика соответствует закону равноплечей
гиперболы (кривая ВС, рис. 6.23). При такой тяговой характеристике
реализуемая мощность локомотива остается постоянной (линия В'C’, рис.
6.24), а следовательно, обеспечивается ее полное использование в
широком диапазоне скоростей.
Тяговые
расчеты являются основной частью науки о тяге поездов. Они включают в
себя методики для определения массы, скорости и времени хода поезда по
перегону, расхода топлива и электроэнергии, длины тормозного пути.
По отношению к неподвижным предметам, в том числе к рельсам,
движение поезда рассматривается как поступательное. Считается, что все
точки поезда имеют одинаковые скорости по величине и направлению, то
есть поезд рассматривается как материальная точка. В то же время эта
точка имеет конечный объем и конечную массу.
В реальной жизни поезд представляет собой систему
материальных тел, имеющих между собой упругие и жесткие связи. К этим
телам относятся вагоны и локомотивы. Упругими связями являются
ударно-тяговые приборы, осуществляющие сцепление вагонов между собой.
Жесткими связями являются рельсы, если пренебречь их упругостью.
На поезд действует большое количество сил, которые делятся
на внешние и внутренние. Внешние силы исходят от тел, не входящих в
рассматриваемую систему. Это притяжение земли, реакции рельсов,
сопротивление воздуха.
Для
обеспечения перевозок железнодорожный транспорт имеет тяговые средства
(локомотивы), а также технические устройства, обеспечивающие их работу.
Весь этот комплекс называется локомотивным хозяйством.
К техническим средствам и сооружениям локомотивного
хозяйства относятся тепловозы, электровозы, дизельные поезда,
электропоезда, экипировочные устройства, склады топлива, песка и
смазки, основные локомотивные депо, пункты оборота локомотивов и смены
бригад, специализированные мастерские по ремонту отдельных узлов
локомотивов, пункты технического обслуживания, станки, оборудование и
коммуникации.
Локомотивные депо являются основными линейными предприятиями
локомотивного хозяйства. Локомотивные депо бывают электровозные,
тепловозные, моторвагонные, грузовые, пассажирские и смешанные, а также
эксплуатационные, ремонтные и эксплуатационно-ремонтные.
Эксплуатационные депо делятся на основные и оборотные.
Основные депо имеют приписной парк локомотивов, здания, мастерские и
другие технические средства для выполнения текущего ремонта,
технического обслуживания и экипировки.
Оборотные депо не имеют приписного парка локомотивов и
предназначены для экипировки, технического обслуживания, выдачи
локомотивов под поезда, а также для смены и отдыха локомотивных бригад.
Попытки применения электродвигателей для создания движущей силы в
транспортных средствах предпринимались с начала XIX в. Так русский
академик Б.С. Якоби в 1834 г. продемонстрировал на реке Неве работу
лодки с электроприводом, получавшим питание от электрохимических
батарей.
Первый электрифицированный участок Баку—Сабунчи—Сураханы на
постоянном токе напряжением 1200 В, протяженностью 19 км был введен 6
июля 1962 г.
При электрической тяге применяется централизованное
энергоснабжение, когда все потребители энергии питаются от общей
электроэнергетической системы. Это дает возможность использования
энергии из любых первичных источников — тепловых, гидравлических и
атомных электростанций.
Электровозы постоянно соединены с системой электроснабжения.
Это дает возможность применять рекуперативное торможение, при котором
тяговые электродвигатели работают в режиме генератора и вырабатывают
электроэнергию, возвращая ее в систему электроснабжения. При этом
снижается износ тормозных колодок и бандажей колес. Особенно эффективно
применение рекуперативного торможения на затяжных спусках.
Первый в мире проект тепловоза был разработан в 1905 г. русскими инженерами Н.Г. Кузнецовым и А.Н. Одинцовым
Современный тепловоз состоит из следующих основных частей:
первичного двигателя, передачи, кузова, экипажа и вспомогательного
оборудования (рис. 6.8).
Первичным двигателем на тепловозе является дизель. Чтобы
привести во вращение колесные пары тепловоза от вала дизеля, требуется
специальная передача. Она позволяет обеспечить трогание тепловоза с
места и реализацию полезной мощности дизеля во всем диапазоне скорости
движения локомотива.
Локомотивы принято классифицировать по роду службы, ширине колеи, типу
кузова, числу секций и по некоторым другим признакам.
По роду службы локомотивы делятся на грузовые, пассажирские,
универсальные, маневровые, промышленные. К универсальным относятся
грузопассажирские и маневровые локомотивы. Локомотивы, работающие в
грузовой и пассажирской службах, называются поездными или
магистральными.
По типу кузова локомотивы могут быть с несущей рамой и
съемным кузовом, с несущими боковыми стенками и рамой и с цельнонесущим
кузовом, когда рама, боковые стены и крыша работают как одно целое.
Съемный кузов может быть вагонного или капотного типа. Кузов
вагонного типа (рис. 6.5) обеспечивает доступ локомотивной бригады к
силовому оборудованию во время движения без выхода из кузова. Это
улучшает условия работы бригады и аэродинамику поезда. Поэтому кузовами
такого типа оборудуются в основном поездные локомотивы.
Для
передвижения поезда к нему необходимо приложить в направлении движения
определенную силу, называемую силой тяги. Сила тяги создается тяговым
подвижным составом, к которому относятся локомотивы, а также
моторвагонный подвижной состав. Моторвагонные поезда состоят из
нескольких моторных вагонов, имеющих тяговые двигатели, и из прицепных
вагонов. К таким поездам относятся, например, пригородные электропоезда.
Локомотивы делятся на паровозы, тепловозы, газотурбовозы, электровозы и мотовозы.
Первые локомотивы приводились в действие силой пара и
назывались паровозами (рис. 6.1). Паровоз имел паровой котел и паровую
машину. В паровом котле под действием тепла от сжигаемого в топке угля
вода превращалась в пар. Пар поступал в цилиндр паровой машины и
перемещал поршень, связанный с колесом паровоза кривошипно-шатунным
механизмом (рис. 6.2).
