Тяговые расчеты в комплексе систем диспетчерской централизации
КОКУРИН Иосиф Михайлович, Российская академия наук, Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко, лаборатория проблем организации транспортных систем, главный научный сотрудник, профессор, д-р техн, наук, Санкт-Петербург, Россия
ПУШКИН Илья Андреевич, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах», аспирант, Санкт-Петербург, Россия
Ключевые слова: тяговые расчеты, расстояние снижения скорости, разность установленных скоростей, учет длин поездов, особенности тяговых расчетов в системе единиц СИ
Аннотация. На основе тяговых расчетов определяется соответствие длин фиксированных и подвижных блок-участков тормозным путям поездов, что является основным требованием безопасности к системам автоблокировки, локомотивной сигнализации и автоведения. В статье рассмотрено применение тяговых расчетов для выбора уравнений движения работоспособных при всех величинах ускорения поездов, а также определения расстояний снижения установленной скорости с учетом длин поездов и разности скоростей. Показано значение разработанной технологии тяговых расчетов в комплексе систем автоматизации принятия и реализации решений по организации движения поездов при диспетчерской централизации. Выполнен физический анализ тяговых расчетов в системе единиц СИ.
Расчеты времени хода поездов необходимы для разработки графиков движения и их оперативной корректировки, при выдаче предупреждений об изменениях установленной скорости, а также для определения ожидаемого времени прибытия на станции в случаях отклонения поездов от расписания.
Тяговые расчеты в системе единиц СИ (метр, килограмм массы, секунда), введенной в действие ГОСТом 9867-61 в 1963 г., длительное время затруднялись широким использованием технической системы единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда) в нормативных, технических и учебных изданиях, а также в индикации измерительных приборов [1-3].
В системе МКГСС одной из основных единиц измерения выбрана килограмм-сила (1 кГ). Масса в этой системе основной единицей не является. Она получила название техническая единица массы (т.е.м.), размерность которой 1 т.е.м. = 1кГ/1м/с2. При этом масса и сила в системах единиц МКГСС и СИ получили одинаковое название - килограмм. Воспроизводятся они с помощью одного и того же эталона массы 1 кг и силы тяжести в один килограмм 1 кГ. В итоге величина единицы массы в системе СИ получилась равной величине единицы силы в системе МКГСС: 1 кг = 1 кГ = 1 т.е.м. • 9,81 м/с2.
Различия этих систем стали причиной последо
вательной разрабО1ки ipox размерностей величин, используемых при гя! оных расжнах в системе единиц СИ [4-13].
В правилах тяговых расчоюв IITP [4] и справочнике [5] рекомендуется при расчетах в системе СИ использовать размерность удельных сил, действующих на поезд, в виде килог рамм сипы, деленной на тонну массы (кгс/т). При 1акой размерности удельных сил параметры движения поездов приходилось рассчитывать, используя единицы измерения обеих систем. Удельное сопротивление движению от уклона пути получалось равным величине уклона, измеряемого в тысячных. При этом сохранялись привычные тонно-километры веса поездов, применяемые для определения объемов перевозок, а также в расчетах финансовых и технических показателей.
В работах [6-10] при использовании системы СИ предлагалась размерность удельных сил в виде отношения величин, измеряемых в ньютонах Н, к весу поезда в килоньютонах (Н/кН). При этом указывалось, что для вычисления веса поезда в (кН) требуется значение массы умножать на 9,81, т.е. практически увеличивать в 10 раз.
В документации, связанной с организацией перевозок, применялась техническая система единиц МКГСС, в которой основной единицей измерения является не масса, а сила тяжести (вес) поезда. Перевод величин, измеренных в системе МКГСС, в систему СИ требовал больших затрат средств на переустановку компьютерных программ, изменения нормативной и технической документации. Поэтому предлагалось принять, что в тяговых расчетах удельные силы действуют на один килоньютон (кН) силы тяжести (веса) поезда, а не на одну тонну (т) массы. Это позволяло сохранять привычные тонно-километры веса поезда во всех технических и экономических показателях. Размерность ньютон силы на тонну веса (Н/т) и величина массы поезда при тяговых расчетах не использовались. Отмечалось несоответствие такого решения второму закону Ньютона, поскольку инерцию движения определяет масса, а не вес поезда.
Использование размерности удельных сил в ньютонах на тонну массы поезда (Н/т) [11-13] обеспечивает выполнение тяговых расчетов в системе СИ и соответствует законам физики.
МАССА И ВЕС ПОЕЗДА
Правила тяговых расчетов [11 ] требуют определять удельные силы в размерности ньютон на тонну массы поезда, Н/т. Поэтому следует рассмотреть связь величин массы и веса поезда в системах единиц МКГСС и СИ.
При построении метрической системы мер в качестве эталона единицы массы принята масса в один килограмм (1 кг), равная весу одного литра чистой воды при температуре 4 °C.
На основе точных взвешиваний при ускорении силы тяжести на широте Парижа изготовлен эталон массы в виде гири из сплава платины с иридием, весом в 1 кг, которая являлась и эталоном силы тяжести в 1 кГ. Этот эталон массы оставался единственной основной единицей в системе СИ, которая не определялась через природные константы. В соответствии с [14] единица массы в СИ килограмм определяется путем принятия фиксированного числового значения постоянной Планка (h), выраженной в единицах СИ.
Числовая величина массы принимается равной величине силы тяжести (весу) поверочной гири, если они уравновешиваются на весах. При этом масса, определенная с помощью силы тяжести, остается постоянной величиной и не меняется при изменении скорости перемещения до величины скорости света.
Весы различных конструкций градуируются и периодически поверяются по весу поверочных гирь. В перспективе поверочные гири подлежат поверке по эталонам массы системы СИ. Следовательно, величину массы в системе СИ следует принимать равной величине силы тяжести в системе МКГСС и использовать при тяговых расчетах термин «масса» вместо термина «вес».
Например, силе тяжести (весу) груженого четырехосного полувагона, равной 82 тс (тонно-силы), соответствует масса вагона в СИ, равная 82 т (тонны). Масса, приходящаяся на ось колесной пары, составляет q0 = 82/4 = 20,5 т. Массу грузовых, почтовых и багажных вагонов, а также груза поездов [11] рекомендовано определять по поездным документам. Массу пассажирских вагонов следует определять по данным, нанесенным на кузов или швеллер вагона, а нагрузка от пассажиров, ручной клади и снаряжения определяется согласно Правилам тяговых расчетов для поездной работы [11].
УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА И ИХ РЕШЕНИЯ
■ Численное интегрирование дифференциального уравнения интервала времени движения поезда, составленного на основе второго закона Ньютона,
В формулах (3) и (4) не используются разности конечной и начальной скоростей и деление числителей на знаменатели, содержащие равные нулю ускорения поезда. При нулевом ускорении вторые слагаемые этих формул становятся равными нулю, а первые - определяют параметры движения поезда с постоянной скоростью. В итоге предлагаемые формулы (3) и (4) обеспечивают расчет параметров движения поездов при всех получаемых величинах ускорения.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ
Представление поезда в виде материальной точки с массой, сосредоточенной в середине длины, требует при тяговых расчетах учитывать длину поезда Ln. Голова поезда (см. рисунок) достигает ординаты начала заданного места SHcy2 движения со сниженной установленной скоростью Vcy2, когда ордината центра массы (ЦМ) поезда S'Hcy2 отстает от S 2 на половину длины поезда 1_п/2 (первое положение поезда ПП1). Хвост поезда освобождает конец места SKCy2 снижения установленной скорости Vcy2, когда ордината ЦМ S'2 опережает SKcy2 на половину длины поезда 1_п/2У(второе положение поезда ПП2). С этого положения скорость Vcy2 не может быть превышена поездом и разрешается ее повышение до Vcy3. На ординате 4 центр массы поезда достигает скорости Vcy3 и начинается движение с повышенной скоростью.У
ПРОСЛЕДОВАНИЕ ПОЕЗДОМ МЕСТА ОГРАНИЧЕНИЯ СКОРОСТИ
■ Длина поезда изменяется от длины короткой подвижной единицы до длины грузового поезда, размещаемого в пределах полезной длины пути раздельных пунктов.
При ремонтных работах организуется движение сдвоенных и строенных поездов. Поэтому при тяговых расчетах требуется учитывать длину поездов [11]. Пример учета длины поезда показан при определении расстояния, проходимого с пониженной скоростью Vcy2 (см. рисунок).
Это расстояние ASnc2 равно разности ординат положений ПП1 и ПП2 центра массы поезда, что соответствует длине заданного места снижения скорости, увеличенному на длину поезда:
А®пс2 = ® ксу2 — ® нсу2 = Ц/2 + Ьсу2 + |_п/2. (5)
Для каждого места снижения установленной скорости рассчитываются расстояния снижения скорости в режимах служебного торможения и выбега. В режиме, требующем меньшего расстояния для снижения скорости, и заданной ординате начала снижения скорости тяговыми расчетами определяется ордината конца снижения скорости. Эта ордината сравнивается с ординатой начала движения с пониженной скоростью. В зависимости от знака полученной разности увеличивается или уменьшается ордината начала снижения скорости. При достижении равенства сравниваемых ординат расчет места начала снижения скорости прекращается.
Рассмотренные функции выполняет алгоритм проследования поездом мест ограничения скорости. В итоге комплекс компьютерных программ определяет режим изменения скорости (выбег, служебное торможение или повышение скорости), ординаты начала и конца мест снижения и повышения установленной скорости, а также скорость, время и проходимые поездом расстояния.
Современные системы телеконтроля передают информацию о номере поезда, станции назначения и времени поступления на диспетчерский участок. Предлагается дополнить эти системы комплексом оперативно выполняемых тяговых расчетов ожидаемого времени прибытия поездов на раздельные пункты. Эта информация необходима для создания на основе диспетчерской централизации системы принятия решений по организации движения поездов при отклонениях от расписаний, а также для передачи на локомотивы оперативно корректируемых режимных карт управления и автоведения поездов [15-17].
СПИСОК источников
1. Лисенков А.А. Международная система единиц СИ. М.: Наука, 1966. 70 с.
2. Иванов М.Г. Размерность и подобие : учебное пособие. М.: МФТИ, 2019. 151 с.
3. Международная система единиц (si). https://www. vniim.ru/files/SI-2019.pdf
4. Правила тяговых расчетов дня поездной работы : утв. 15.08.80. М.: Транспорт 1985. 287 с.
5. Гребенюк П.Т., Долганов A 11 , Скворцова А.И. Тяговые расчеты : справочник. М 1ранспорт, 1987. 272 с.
6. Рациональные режимы вождения поездов и испытания локомотивов / под ред. С И Осипова. М.: Транспорт, 1984. 280 с.
7. Теория электрической i bi и / В I Розенфельд, И.П. Исаев, Н.Н. Сидоров, М И Озеров М : Транспорт, 1995. 294 с.
8. Кузьмич В.Д., Руднов В.С., Френкель С.Я. Теория локомотивной тяги. М M.ipnipy i, 2005. 448 с.
9. Кокурин И М., Кондршонко Л.Ф. Эксплуатационные основы устройств железнодорожной автоматики и телемеханики : учебник. М ipnuciiopi, 1989. 184 с.
10. Бахолдин В.И., Афонин I .С , Курилкин Д.Н. Основы локомотивной тяги. М VMI | ЖД1.2014. 308 с.
11. Правила тяговых расчеши для поездной работы : утв. распоряжением ОАО РЖД> от 12.05.2016 № 867р. Доступ через СПС «Koiicyni.ianilЬпос».
12. Деев В.В., Ильин I А , Афонин Г.С. Тяга поездов : учебное пособие. М. Ipancnopi, I987. 262 с.
13. Френкель С.Я. 1охника i я, овых расчетов: пособие. Гомель : БелГУТ, 200/ Г,' с
14. О внесении изменении в приложение N 1 к Положению о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации I кхлановление Правительства РФ от 9 марта 2022 i. N'> 323. Доступ через СПС «Кон-сультантПлюс».
15. Кокурин ИМ Решения задач увеличения пропускной спосо()нос1и порогонов // Железнодорожный транспорт. 2021. № 4. С. 52 54.
16. Кокурин И М . I lyiiiKHii И.А. Технология определения длин фиксированных блок-участков // Автоматика, связь, информатика. 2022. N" 10. С. 9-14. DOI: 10.34649/ АТ.2022.10.10.002.
17. Кокурин И.М , Ефанов Д.В. Технологические основы инновационной системы автоматического управления движением поездов // Автоматика, связь, информатика. 2019. N" 5. С. 19-23. DOI: 10.34649/АТ.2019.5.5.003.
