Расчетную касательную мощность (в кВт) локомотива, реализуемую на ободе его колес при условии установившегося движения, находят из выражения

где - касательная сила тяги на расчетном режиме, равная сопротивлению движения поезда заданной массы, кН;

Расчетная скорость движения, км/ч.

Исследования по установлению масс грузовых и пассажирских поездов показывают, что экономически целесообразная масса поезда соответствует полному использованию длины станционных путей и их несущей способности. При современных нормах на эти показатели пути и с учетом технической оснащенности и провозной способности железных дорог наибольшая масса пассажирского поезда составляет не более 1200 т, грузового 6000 т (таблица 4.1). При массе поезда = 8000 т наивыгоднейшая расчетная скорость для тепловозов равна 27 км/ч, газотурбовозов 30-40 и электровозов 40-60 км/ч.

Наибольшую касательную мощность маневрового тепловоза, реализуемую при разгоне грузового поезда массой до скорости , находят из уравнения

(2)

где - удельное сопротивление, = 30 Н/т; - среднее ускоряющее усилие, = (50-80) Н/т; - удельное сопротивление от подъема, = (0-20) Н/т; - средняя скорость при разгоне, = (7-8,5) км/ч

Эффективную мощность (в кВт) – основной энергетический параметр автономного локомотива (тепловоза, газотурбовоза, паровоза), равный мощности его силовой установки, определяют по выражению

где - КПД передачи, = 0,77 для гидропередач, = 0,8 для электрических передач; - коэффициент свободной мощности.

Коэффициент учитывает на локомотивах расход энергии на привод вентилятора холодильной установки, вспомогательных машин (компрессора, вспомогательного генератора и др.) и аппаратов. Для тепловозов коэффициент = 0,90 ÷ 0,92. У газотурбовозов отсутствует мощная холодильная установка, поэтому значение = 0 97. для газотурбовозов, оборудованных дизелем для вспомогательных нужд, = 1.

Мощность электровозов определяют как суммарную мощность на валах тяговых электродвигателей при их работе в часовом и длительном режимах движения. Мощность наряду с другими параметрами используют для выбора энергетической установки проектируемого локомотива. В том случае, когда эффективная мощность установлена техническим заданием или принята по мощности энергетической установки, следует определить массу поезда, при которой локомотив может двигаться со скоростями, рекомендованными МТК РК.

Сцепной вес является суммарной нагрузкой на движущие колесные пары локомотива и характеризует его способность развивать необходимую силу тяги без проскальзывания колес по рельсам.

Сцепной вес (в кН) для грузового локомотива вычисляют при условии его движения по расчетному подъему с установившейся скоростью без боксования из соотношения

, (4)

где - коэффициент сцепления при скорости , - коэффициент использования сцепного веса; для локомотивов с групповым приводом = 1, с индивидуальным = 0,85÷0,92.

Для получения значений коэффициента , близких к единице, рекомендуют использовать поводковые буксы, рядное расположение тяговых двигателей, низкое размещение шкворня, наклонные поводки тягового устройства, мономоторный привод, догружатели - устройства, ликвидирующие разгрузку колесных пар тележки.

Сцепной вес пассажирского локомотива из условия обеспечения заданного ускорения при разгоне поезда определяют по формуле

, (5)

где - полное удельное сопротивление движению поезда в момент трогания с условной скоростью 5-8 км/ч на уклоне i (‰), Н/т;

Удельное сопротивление от ускоряющего усилия, Н/т; ( - ускорение поезда после трогания с места в зависимости от категории, поезда, равное 1200-1800 км/ч 2);

Ускорение поезда, км/м 2 , при действии удельной ускоряющей силы 1 Н/т.

Для расчета можно принять = 80 Н/т. Значения для грузовых и пассажирских поездов равны 12,2 км/ч 2 , электропоездов 12 км/ч 2 , дизель-поездов 11,8 км/ч 2 .

Выбрав значение , проверяют возможность реализации при этом заданного ускорения разгона по уравнению (5) при = 0 с более высокими скоростями движения. Если принятое значение не выдерживается на участке, равном половине пути разгона, то вес увеличивают.

Сцепной вес маневрового локомотива (тепловоза) зависит от характера и условий его работы: сортировочных маневров на горке, вывозных операций на магистральных дорогах и т. д. При горочной работе потребный сцепной вес определяют при трогании поезда с места после остановки у горба горки из соотношения

, (6)

Где - удельное сопротивление движению, равное для грузовых поездов 70 Н/т; - среднее сопротивление при подъеме по надвижной части горки, Н/т.

Сопротивление , для всех видов подвижного состава численно
равно 10-кратной величине подъема, которую находят из выражения

, (7)

Где - подъемы участков надвижной части горки, ‰;

Длины участков надвижной части горки, м;

Длина поезда, м.

В условиях вывозной работы требуемый сцепной вес локомотива находят из уравнения (4) при расчетной скорости = 10÷16 км/ч.

Служебную массу определяют количеством материалов, вложенных в конструкцию машины. У тележечных локомотивов, которых все колесные пары движущие, служебная масса (в т) равна 0,1 . У маневровых локомотивов обычно служебной массы недостаточно для получения расчетного сцепного веса. В этом случае в экипажной части предусматривают дополнительную массу (балласт). Магистральные пассажирские локомотивы, особенно скоростные, имеют служебную массу, которая обеспечивает действительный сцепной вес, превосходящий расчетный. У таких локомотивов можно снизить служебную массу путем уменьшения расхода материалов при их изготовлении. Служебную массу для построенных локомотивов определяют на специальных весах для взвешивания локомотивов. В начальной стадии проектирования служебную массу можно подсчитать по формуле

, (8)

где - удельный показатель служебной массы, рекомендуемый для перспективных локомотивов, кг/кВт.

Для электровозов в показатель вводится мощность часового Режима , кВт. В таблице 4.2 приведены значения удельного показателя служебной массы для современных локомотивов.

Таблица 4.2

Удельные показатели служебной массы

Число колесных пар зависит от массы локомотива и нагрузки от колесной пары на рельсы. Если в расчете использовать служебную массу, то будет определено полное число колесных пар, если сцепной вес - число движущих колесных пар. Для одной секции локомотива число может быть равно 2, 3, 4, 6 и 8. Если больше, то локомотив формируют из двух секций.

Наметив для проектируемого локомотива число колесных пар, необходимо проверить статическую нагрузку на рельсы по выражению

, (9)

где - допускаемая статическая нагрузка от колесной пары на рельсы, кН.
Допускаемая нагрузка зависит от конструкции и состояния верхнего строения пути и устанавливается техническими требованиями МТК РК. На дорогах с рельсами Р50 и Р65, уложенными на деревянных шпалах и щебеночном балласте, допускаются следующие значения = 226 кН для грузовых локомотивов, = 206 кН - для пассажирских. На реконструированных участках допускаемая нагрузка от колесной пары на рельс равна 246 кН.

Диаметр движущих колес локомотивов зависит от многих факторов, из которых надежность и минимальная неподрессоренная масса являются основными.

В настоящее время на тяговом подвижном составе железных дорог СНГ применяют три типоразмера колес: диаметром 1050 и 1220 мм для тепловозов, 950 мм для дизель-поездов и части электропоездов и 1220 и 1250 мм для электровозов. Для унификации ходовых частей экипажей тепловозов и электровозов рекомендуется использовать колеса диаметром 1220 и 1250 мм, что снизит эксплуатационные и ремонтные расходы, увеличит пробег между обточками бандажей, понизит контактные напряжения в рельсах и т. д. Однако при применении колес с большим диаметром возрастает масса колесной пары и увеличивается эксцентриситет главной рамы относительно автосцепки. Требуемый диаметр колеса (мм) подсчитывают по формуле

где - допустимая нагрузка на 1 мм диаметра колеса, равная от 0,2-0,22 до 0,27 кН/мм.

При выборе диаметра колес следует руководствоваться стандартными размерами бандажей для подвижного состава широкой колеи на колесные пары для тепловозов и электровозов. Бандажи толщиной 75 мм устанавливают на колеса с осевой нагрузкой до 206 кН, толщиной 90 мм - на колеса с осевой нагрузкой более 206 кН.

Длину локомотива по осям автосцепок устанавливают в процессе компоновки оборудования. На начальной стадии проектирования длина, мм,

для локомотивов мощностью 1470-2300 кВт;

для локомотивов мощностью свыше 2900 кВт;

В общем случае ориентировочно

Максимальная длина локомотива ограничивается техническими требованиями на ремонтные стойла депо, минимальная - прочностью путевых сооружений. Для проверки используют уравнение

, (14)

где - допускаемая нагрузка на единицу длины пути, равная 73,5 кН/м для эксплуатируемых и 88,5 кН/м для проектируемых локомотивов.

База локомотива - это расстояние между шкворнями или геометрическими центрами тележек одной секции. Она определяется условия компоновки экипажной части «по низу» и надежность сцепляемости автосцепки локомотива и вагона. предварительно база локомотива

где е - числовой коэффициент, равный 0,5-0,54 для экипажной части с длиной до 20 м и 0,55-0,6 длиной свыше 20 м.

База тележки зависит от размеров тягового привода, тяговых электродвигателей и других элементов, размещаемых на тележках. Расстояние между смежными колесными парами у современных тележек локомотивов равно 1,85-2,3 м. Меньшие значения относятся к тележкам с групповыми приводами, большие – с индивидуальными приводами. Исходя из этого, можно выбрать базу тележки до разработки конструкции экипажа: в пределах 3,7-4,6 м для трехосных тележек и 5,5 -7 м для четырехосных тележек с индивидуальным приводом. Для исключения больших ошибок при оценке линейных размеров , и их следует сравнить с аналогичными показателями современных локомотивов (таблица 4.3).

Задание № 4.

Определить основные характеристики проектируемого локомотива согласно варианту:

1. Определить сцепной вес и служебную массу локомотива

2. Определить число осей и диаметр колес локомотива

3. Определить геометрические размеры локомотива

4. Построить тяговую характеристику локомотива

Таблица 4.6. Исходные данные для расчета

СЦЕПНОЙ ВЕС ЛОКОМОТИВА

СЦЕПНОЙ ВЕС ЛОКОМОТИВА

часть общего веса локомотива, передающаяся на его движущие осн. Только эта часть веса используется для создания между движущими колесами и рельсами силы трения, позволяющей превратить работу машины в силу тяги для передвижения поезда; остальная часть веса локомотива, падающая на поддерживающие оси, не способствует увеличению силы тяги, в силу чего стремятся возможно полнее использовать вес локомотива в качестве сцепного, передавая на поддерживающие оси лишь минимальную часть его. Полный вес и С. в. л. основных серий паровозов СССР (вес в тоннах) составляют:

Технический железнодорожный словарь. - М.: Государственное транспортное железнодорожное издательство . Н. Н. Васильев, О. Н. Исаакян, Н. О. Рогинский, Я. Б. Смолянский, В. А. Сокович, Т. С. Хачатуров. 1941 .

Смотреть что такое "СЦЕПНОЙ ВЕС ЛОКОМОТИВА" в других словарях:

Сцепной вес локомотива сумма всех нагрузок от движущих (сцепных) колёс локомотива на рельсы. Используется для создания силы сцепления между колёсами и рельсами и позволяет превратить окружное усилие на ободе движущих колёс во внешнюю силу… … Википедия

Часть веса, приходящегося на ведущие (движущие) оси автомобиля, колёсного трактора, локомотива и т. д., передающаяся на путь. С. в, определяет максимально возможное тяговое усилие (тягу) между колёсами и дорогой (рельсами) … Большой энциклопедический политехнический словарь

СЦЕПНОЙ, сцепная, сцепное (спец.). прил., по знач. связанное с работой чего нибудь в сцепе, в связи с другим. Сцепная мощность трактора. Сцепные оси паровоза. Сцепной вес (вес, приходящийся на ведущие оси локомотива). || Сцепляющийся, соединяемый … Толковый словарь Ушакова

ОЭЛ7 … Википедия

Прикладная часть теории тяги поездов, в которой рассматриваются условия движения поезда и решаются задачи, связанные с определением сил, действующих на поезд, и законов движения поезда под воздействием этих сил. Содержание 1 История тяговых… … Википедия

2.1.Определение расчетного веса (массы) состава грузового поезда.

Вес состава грузового поезда является одним из важнейших качественных показателей работы железных дорог. Правильный выбор веса состава грузового поезда позволяет снизить себестоимость и повысить экономичность перевозок, наиболее полно использовать мощ­ность локомотивов без снижения надежности их работы в эксплуата­ции. Превышение весовых норм поездов может вызвать порчи локо­мотивов в пути следования и, соответственно, привести к нарушению графика движения поездов.

Расчетный вес состава грузового поезда Q р определяется исходя из условий полного использования мощности заданной серии локомотива при равномерном движении по расчетному подъему с расчетной скорос­тью, кН:

где F кр – расчетная сила тяги локомотива (с учетом числа секций) при расчетной скорости v р , Н;

Р – расчетный вес локомотива (с учетом числа секций), кН;

–основное удельное сопротивление движению локомотива в режиме тяги при расчетной скорости, Н/кН;

–основное удельное сопротивление движению грузового со­става (вагонов) при расчетной скорости, Н/кН (расчетные формулы приведены в табл. 4);

i р – крутизна расчетного подъема, ‰

Расчетная масса состава грузового поезда, т

где g – ускорение свободного падения, м/с (g = 9,81 м/с)

Для дальнейших расчетов выберем две серии электровозов и одну серию тепловоза. Расчетные параметры грузовых локомотивов приведены в табл. 3

Таблица 3 - Расчетные параметры грузовых локомотивов

Таблица 4 - Расчетные формулы для определения основного удельного сопротивления движению подвижного состава на звеньевом пути

*- шести- и восьмиосные вагоны имеют буксы только с роликовыми подшипниками.

В табл. 5 приведены характеристики составов грузовых поездов согласно выбранным локомотивам

Таблица 5 - Характеристика состава грузового поезда

Согласно табл. 4 определим основное удельного сопротивления движению подвижного состава для тепловоза 2ТЭ116.

Содержание статьи

ЖЕЛЕЗНАЯ ДОРОГА, транспортная трасса постоянного действия, отличающаяся наличием пути (или путей) из закрепленных рельсов, по которым ходят поезда, перевозящие пассажиров, багаж, почту и различные грузы. Понятие «железная дорога» включает в себя не только подвижной состав (локомотивы, пассажирские и грузовые вагоны и т.п.), но и полосу отчуждения земли со всеми сооружениями, постройками, имуществом и правом провоза товаров и пассажиров по ней.

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ ЛОКОМОТИВЫ

Железнодорожный локомотив – это самоходный экипаж, предназначенный для перемещения по рельсовому пути состава из пассажирских или грузовых вагонов. Энергия, необходимая для движения, может вырабатываться внутри самого локомотива (как в паровозе и тепловозе) либо потребляться им из внешнего источника (как в электровозе контактного типа). В течение многих лет на железных дорогах эксплуатировались только паровозы, но появлялись локомотивы с двигателями новых типов, постепенно их становилось все больше, и теперь на железных дорогах используются только дизельные тепловозы и электровозы. В 1930-х годах началось ускоренное развитие всей железнодорожной техники. Возросла скорость движения пассажирских и товарных поездов, а принципы конструирования локомотивов стали определяться требованиями обеспечения максимальной тяговой мощности на единицу веса при максимальной эксплуатационной экономичности.

Способы эксплуатации локомотивов.

Локомотивы выпускаются четырех типов в соответствии с их назначением – для пассажирских поездов, для товарных поездов, для выполнения маневровых работ (на грузовых станциях и в депо), для промышленных предприятий. Обычно тяговый локомотив располагается в голове поезда. Иногда (в гористой местности и вообще там, где есть тяжелые подъемы) в помощь ему подключают второй локомотив; в таких случаях его обычно подцепляют в голове или хвосте состава.

Электровозы.

Локомотивы с электрической тягой используются в основном для перемещения пассажирских и товарных составов по грузонапряженным магистральным железным дорогам. Такие локомотивы весьма различаются по мощности: одни способны лишь перегнать с места на место сцепку из пары-тройки вагонов со скоростью в несколько км/ч, а другие – тащить за собой состав из 15–20 пассажирских (а то и более 100 грузовых) вагонов; при этом скорость пассажирского поезда может достигать 300 км/ч. Низкоскоростные электровозы малой мощности используются также в шахтах, вывозя уголь и руду, и на заводских территориях, где развозят сырье и продукцию.

Режимы питания.

Электроснабжение железнодорожных линий на переменном либо на постоянном токе. В соответствии с режимом используются различные виды электрооборудования. В электровозах, работающих на постоянном токе, применяются электрические двигатели постоянного тока с последовательным или смешанным возбуждением. В электровозах на переменном токе применяются коллекторные, асинхронные или синхронные тяговые электрические двигатели однофазного переменного тока.

Ходовая часть

электровозов имеет множество модификаций. Самая простая из них (какую обычно имеют маневровые и низкоскоростные магистральные электровозы) состоит из кузовной рамы, установленной на двух поворотных тележках (с клещеобразным поворотным механизмом между осями тележки) и индивидуальным моторным приводом на какую-либо ось каждой тележки, как в трамвае. Ходовая часть сочлененного типа делается по подобной же схеме, но отличается тем, что тяговое усилие передается на тележки не рамой кузова локомотива, а через внутреннее поворотное соединение.

Управление.

Поскольку для изменения направления движения электровоза на противоположное достаточно перекинуть переключатель полярности из одного положения в другое, электровозы конструируются так, что их кабины управления смотрят в обе стороны железнодорожного пути (вперед и назад). Одинаковые органы управления расположены в обоих концах электровоза – справа от места машиниста (по ходу локомотива).

Дизель-электровозы.

Дизель-электровоз является локомотивом автономного типа, так как располагает собственной силовой энергоустановкой. Коленчатый вал первичного двигателя (дизеля) напрямую соединен с якорем электрического генератора постоянного тока, который подается на тяговые электродвигатели колес локомотива. Прямой механической связи между дизельным двигателем и колесами у локомотива такого типа нет. Передача энергии от дизеля и ее распределение по движителям осуществляется через промежуточные и переключательные устройства. Дизель работает с постоянным числом оборотов вала – в зависимости от положения дроссельной заслонки, которое устанавливает машинист. Поскольку обороты дизельного двигателя не связаны со скоростью поезда, колесные тяговые двигатели должны удовлетворять специфическим требованиям по скорости и мощности, которые предъявляются к ним на рабочих режимах – при разгоне поезда, преодолении крутых подъемов и транспортировке большегрузных составов.

Высокая эксплуатационная готовность

дизель-электровоза определяется простотой его заправки горючим, что не сложнее заправки бензином автомобиля. Поэтому дизель-электровоз может совершать длинные рейсы без длительных простоев, а заправляют его при смене поездной бригады.

Маневровые дизель-электровозы

наиболее удобны в эксплуатации из всех локомотивов, предназначенных для маневровых работ; одной заправки горючим им хватает на несколько суток работы. До 1946 больше всего выпускалось именно маневровых дизель-электровозов, но в дальнейшем быстро возросло производство магистральных тепловозов с электрической передачей.

Тепловозный двигатель.

В тепловозах используются двигатели внутреннего сгорания тяжелого жидкого топлива, работающие по двух- или четырехтактному циклу. У некоторых из них расположение цилиндров вертикальное в ряд; у других – V-образное с двумя рядами цилиндров, разнесенными под углом 45°; у третьих (уже редко устанавливаемых на локомотивы) цилиндры расположены по обе стороны коленчатого вала, как у дизелей подводных лодок.

Тяговые электродвигатели

дизель-электровозов подвешиваются на подшипниках, посаженных внутренними обоймами на колесные оси локомотивных тележек. На хвостовике якоря электродвигателя закреплена шестерня, которая входит в зацепление с зубчатым венцом на внутренней стороне колеса тележки.

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ ВАГОНЫ

Железнодорожные вагоны подразделяются на три основные категории: пассажирские, грузовые и рабочие. Пассажирские вагоны бывают сидячие (с жесткими или мягкими сидячими местами), спальные вагоны, вагоны-рестораны, вагоны-салоны с барами, почтово-багажные вагоны.

Спальные вагоны

появились в 1837, а в 1856 по Центральной железной дороге Иллинойса стали ходить купейные вагоны с тремя ярусами спальных мест. В 1859 Дж.Пульман переделал два вагона с сидячими местами в спальные, а в 1865 ввел в эксплуатацию первый настоящий спальный «пульман», получивший имя «Пионер». В современных спальных вагонах усовершенствованных типов есть разные виды отдельных покоев: обычные и сдвоенные купе, спальни, купе с индивидуальным входом, гостиные и пр.

Грузовые вагоны,

которыми перевозятся самые различные материалы и промышленные изделия, весьма разнообразны по конструкции, что отвечает их назначению и специфическим требованиям транспортировки и поставок, но все они создавались на базе кузовного вагона, изготовлявшегося первоначально из досок и балок. Среди них есть рефрижераторы, многоярусные вагоны для перевозки легковых автомобилей, крытые вагоны, хопперы, гондолы, платформы, цистерны и т.д. Благодаря применению высокопрочных стальных сплавов и облегчению второстепенных узлов современного товарного вагона его вес гораздо меньше, а грузовой объем намного больше, чем у его предшественников. В грузовом железнодорожном оборудовании используются шариковые подшипники вместо применявшихся прежде подшипников скольжения, а усовершенствованные воздушные тормоза позволяют безопасно курсировать на больших скоростях. Применение алюминия дало возможность дополнительно снизить вес вагонов и существенно увеличить вес полезного груза. Для перевозок тяжелых крупногабаритных грузов служат вагоны-транспортеры и платформы с пониженным центром тяжести. Различные жидкие продукты перевозятся специально предназначенными для этого вагонами-цистернами. В крытых хопперах с бункерами или отсеками перевозят зерно, муку, цемент и прочую насыпную продукцию. В транспортировке груженых автомобильных прицепов и контейнеров на специально приспособленных для этого платформах удачно совмещаются гибкость автотранспортной доставки на короткие расстояния и надежная железнодорожная перевозка на дальние расстояния. Контейнерная перевозка на платформах осуществляется маршрутными товарными поездами с большим экономическим эффектом, так как по скорости они не уступают автотранспорту, а стоимость расходуемого ими горючего втрое меньше, чем у грузовиков, перевозящих тот же груз на такое же расстояние.

Рабочие вагоны

представляют собой железнодорожные транспортные средства, предназначенные для проведения строительных, ремонтных и профилактических работ на полотне, путях и в полосе отчуждения железной дороги. К ним относятся локомотивные краны, экскаваторы, снегоочистители, канавокопатели, разбрасыватели балласта, кусторезы, костылезабиватели, шпалоукладчики, вагоны для бригад путейцев, вагоны с материалами и инструментами, вагоны-самосвалы (думпкары). Существуют вагоны, с которых можно устанавливать сварные рельсы длиной 0,4 км, и путеизмерительные вагоны, по показаниям электронной аппаратуры и компьютеров которых определяются искажения заданной геометрии рельсового пути.

ПОЛОСА ОТЧУЖДЕНИЯ И РЕЛЬСОВЫЙ ПУТЬ

Из всех видов транспортных магистралей только железные дороги и трубопроводы располагаются на земельных полосах, отчуждаемых в частное владение или пользование, причем железным дорогам земля обычно передается сразу и навсегда. Именно частная собственность на землю на своей трассе принципиально выделяет железные дороги США среди других транспортных артерий, которые пролегают не по своим владениям (например, перевозки автомобильным и водным транспортом осуществляются соответственно по шоссе и водным путям, являющимся государственным или общественным достоянием).

На отведенной железной дороге полосе земли размещаются рельсовые пути – один или два (а то и больше – три и т.д.). Более двух путей прокладывают там, где ожидается оживленное движение, – например, вблизи крупных городов. Однако большую часть суммарной длины железных дорог всего мира составляют однопутные дороги, по которым ходят поезда в обоих направлениях; такие дороги оснащаются системами сигнализации и разъездами, обеспечивающими безаварийное движение.

Сам путь делается во всем мире по единому образцу – стальные рельсы укладываются на поперечные лаги (деревянные или железобетонные шпалы), заглубленные в балласте. Пути в разных местах весьма различаются по прочности и конструкции в зависимости от напряженности транспортного потока, скорости и тяжести проходящих по ним поездов. Так, вес 1 м рельса может составлять от 25 кг (в путях для легких, низкоскоростных и редких поездов) до 69 кг (там, где интенсивность и грузонапряженность движения велики). Габариты шпал, промежутки между ними и глубина засыпки балласта тоже зависят от условий движения: на основных магистралях толщина балластной подушки больше, шпалы крупнее и уложены ближе друг к другу, чем на второстепенных дорогах или ветках.

Рельс.

Почти все рельсы в поперечном сечении имеют тавровый (Т-образный) профиль с плоским основанием, узкой вертикальной стенкой и слегка скругленной по верхним краям прямоугольной головкой. В развитых странах сварные рельсы заменили ранее применявшиеся рельсы длиной 12 м, скреплявшиеся на стыках двухголовными накладками с болтами и гайками. Такие рельсы обеспечивают более безопасное движение составов без вертикальной тряски на стыках; именно стыки быстрее всего изнашивались, и их упразднение существенно снизило объемы ремонтных работ. Обычно между шпалой и основанием рельса вставляется стальная подкладка, чем обеспечиваются более прочное скрепление рельса со шпалой и уменьшение износа из-за динамических ударных нагрузок от подвижного состава.

Шпалы и балласт.

В Западной Европе, Японии и других местах, где лесоматериалов мало и они дороги, шпалы обычно делают из железобетона. В США до сих пор широко применяются деревянные шпалы со специальной пропиткой.

Балласт выполняет двоякую роль: он служит подушкой пути и дренирующим слоем для отвода дождевой воды с полотна. Обычно наилучшим балластом считается щебень из твердых скальных пород, раздробленных на куски размерами около 5 см, но в качестве балласта можно использовать также отходы горнодобывающей промышленности, гальку, гравий и другие подобные материалы.

В итоге верхнему строению придается некоторая упругость, благодаря чему рельсовый путь при движении по нему поездов слегка смещается вверх-вниз, подобно пружине. Тем не менее на станциях, в тоннелях и на мостах рельсовый путь укладывается на жесткое основание из стали или бетона.

Ширина рельсовой колеи.

Ширина колеи не одна и та же повсюду. Стандартная колея шириной 1,435 м принята почти везде в Северной Америке и на основных железнодорожных магистралях стран Западной Европы. Она же характерна для Китая и многих других районов мира. Разновидности широкой колеи (с расстоянием между рельсами пути от 1,52 до 1,68 м) типичны для республик бывшего СССР, Аргентины, Чили, Финляндии, Индии, Ирландии, Испании и Португалии. Пути с более узкой колеей (от 0,6 до 1,07 м) обычны для Азии, Африки, Южной Америки, а также для второстепенных железных дорог Европы, особенно в гористой местности, и лесовозных дорог России.

Кривизна пути и уклоны.

Нельзя проложить железную дорогу вообще без поворотов, спусков и подъемов, но все они снижают эффективность перевозок, ибо приводят к ограничениям скорости, длины и веса поездов и к необходимости вспомогательной тяги. В связи с этим при строительстве железных дорог обычно используются все возможности для того, чтобы сделать дорогу прямее и ровнее.

Уклоны на большинстве железнодорожных магистралей не превышают 1% (т.е. перепад уровня полотна дороги 1 м на ее длине 100 м) от длины по горизонтали. Уклоны, превосходящие 2%, на главных железных дорогах встречаются редко, хотя в горах бывают и более 3%. Подъем в 4% для обычного локомотива практически неодолим, но с ним легко справляется локомотив, оснащенный колесом с механизмом зубчатого зацепления с кремальерой пути.

Мосты и тоннели.

Количество изгибов дороги и уклонов на ней зачастую можно уменьшить, наводя мосты и прокладывая тоннели, которые необходимы также при пересечении железнодорожными путями рек, автомобильных шоссе и городских районов. Самые длинные в мире тоннели – Сейкан (53,85 км, соединяет японские острова Хонсю и Хоккайдо), тоннель под Ла-Маншем (52,5 км, проложен между городами Фолкстон (Англия) и Кале (Франция)) и Дай-Шимицу (22,2 км) на железной дороге между Токио и Ниигатой (Япония).

ОСОБЕННОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ

Технические параметры.

Тяга.

Наиболее важными параметрами, влияющими на движение поезда, являются сила тяги локомотива и удельное сопротивление подвижного состава. Последнее выражается в расчете на вес типичного (например, грузового или пассажирского) вагона. Чтобы перемещать с малой скоростью по горизонтальному прямолинейному профилю обычный грузовой вагон весом 30 т, необходима тяга в 90 кг (т.е. к тонне веса пустого вагона надо приложить движущую силу в 3 кг). Для движения там же того же вагона с грузом 60 т потребуется тяга всего в 130 кг (т.е. 1,4 кг/т). При движении на малой скорости пассажирского поезда с вагонами весом 60 т на том же участке пути требуется преодолевать удельное сопротивление 2,2 кг/т. Поскольку пассажирские поезда обычно ходят быстрее товарных, при их движении следует учитывать и сопротивление воздуха, для преодоления которого необходима дополнительная тяга, что в итоге может потребовать от 3,6 до 5,4 кг/т в диапазоне скоростей от 113 до 160 км/ч. Удельное сопротивление при тяжелых рельсах на балласте из скального щебня меньше, чем при легких рельсах на мягком балласте. Кроме вышеупомянутых факторов, на величину требуемой тяги влияют уклоны (так, на участке пути с подъемом в 1% нужно увеличивать тягу на 9 кг/т) и повороты (каждый дополнительный угловой градус кривизны пути требует от 0,2 до 0,7 кг/т тяги).

Скорость.

Основные ограничения скорости движения по железной дороге диктуются свойствами ее полотна, верхнего строения пути и особенностями конструкции железнодорожного колеса. Стандартная колея представляет собой довольно узкую базу, которая должна выдерживать все нагрузки от железнодорожного состава. Верхние пределы скорости обусловлены еще и тем, что у каждого колеса гребень (реборда) имеется лишь с одной стороны, и потому практически только сила тяжести удерживает вагоны и локомотивы на рельсах. Источниками возмущений динамической устойчивости движущихся составов являются пересечения путей и их сопряжения с переводными стрелками. Такого рода препятствия ограничивают скорость движения величиной 210 км/ч при идеальном состоянии средств и оборудования железной дороги. Однако это идеальное состояние практически недостижимо из-за многих причин. Поэтому на магистральных железных дорогах максимально допустимая скорость товарных поездов составляет 80–90 км/ч. Трудно обеспечивать движение на повышенных скоростях даже пассажирских поездов, для которых тоже существуют экономически обоснованные ограничения скорости, связанные с износом и пределами прочности конструкции узлов подвижного состава.

Повороты пути тоже ограничивают скорость. Действие центробежной силы можно до некоторой степени скомпенсировать, поднимая на поворотах внешний рельс относительно внутреннего, но разницу между их уровнями нельзя делать больше 15 см. При повороте на 1° (радиус кривизны поворота 1750 м) нельзя развивать скорость более 150 км/ч; при повороте на 2° скорость надо снижать до 80 км/ч; при 3° – до 65 км/ч; при 5° (радиус кривизны 349 м) – до 50 км/ч. На скоростных трассах следует исключать повороты более 2°. Тем не менее, повороты железнодорожного пути более 3° встречаются даже на равнинах; в гористой местности нередко приходится делать повороты в 8° и даже 10°. Ограничивает скорость движения и многое другое – условия движения по мостам и в тоннелях, на пересечениях путей, на стрелках, на спусках (где особенно важно контролировать скорость, учитывая возможности тормозной системы).

Трение между рельсом и железнодорожным колесом является одним из важнейших факторов функционирования железной дороги. Когда рельсы покрываются влагой или наледью, их посыпают песком, чтобы колеса не пробуксовывали. Максимальное значение силы трения между колесом и рельсом, необходимое для торможения поезда или его разгона, равно четверти веса, приходящегося на это колесо. Поскольку для экстренного ускорения или замедления движения железнодорожного состава необходимо относительное тяговое усилие в 45 кг/т, торможение изменением нагрузки на колесо ограничивается максимальным значением соответствующего замедления в 8 км/ч за 1 секунду.

Габариты единицы подвижного состава.

Важной характеристикой являются габариты вагонов и перевозимых ими грузов, какие допустимы при передвижении мимо придорожных строений, в тоннелях и под мостовыми сооружениями. На американских железных дорогах рекомендуется оставлять стандартное свободное пространство шириной 4,9 м до высоты 4,9 м над головками рельсов. Таким образом, допустимая ширина транспортного средства не намного превышает 3 м в наиболее широкой его части, а максимальная высота его над рельсами ограничена 4,4–4,6 м. Расстояние между центральными линиями магистральных путей составляет 4 м, и, поскольку на поворотах транспортное средство заносит, длина единицы подвижного состава несочлененного типа ограничивается 26 м. Конечно, старые участки дорог и боковые ветки не отвечают стандартным требованиям. Из-за этого железнодорожному транспорту иногда приходится совершать объезды по окольным маршрутам и нередко продвигаться на малых скоростях. Все эти габаритные ограничения оказывают влияние на конструктивные решения и мощность локомотивов.

Нагрузка

на ось единицы подвижного состава является еще одной важной эксплуатационной характеристикой железнодорожного транспорта. Она зависит от различных параметров: размеров рельсов, расположения шпал, состояния железнодорожного полотна, прочности мостовых конструкций и т.п. Нагрузка на ось может достигать 29 000 кг. Вследствие этого стандартные крытые вагоны выпускаются грузоподъемностью 50–60 т, хопперы – от 70 до 100 т, крытые хопперы – 100 т. Вес локомотива может достигать 200 т. Обычно мощность дизельного тепловоза составляет от 2200 до 2650 кВт. В зависимости от рельефа местности и общего веса состава к нему иногда подцепляют до 6 тепловозов. При начале движения локомотив может развивать тяговое усилие, равное 30% его полного веса, а на уклонах – до 240 т. Локомотивы той же мощности, предназначенные для пассажирских поездов, могут развивать такую же тягу при разгоне, а на уклонах – до 18 т на единицу подвижного состава.

Торможение.

Чтобы остановить поезд, необходимо рассеять его кинетическую энергию, а на спуске еще и преодолеть скатывающее действие составляющей силы тяжести. Это выполняется с помощью тормозов, установленных на каждой единице подвижного состава и срабатывающих от автоматического привода, управление которым находится на локомотиве. Широко используются пневматические тормоза. В каждом вагоне имеется свой резервуар со сжатым воздухом, который при торможении поступает в тормозные цилиндры, так что остановить любой вагон можно и в том случае, если он отцепится от состава. Обычно торможение осуществляется снижением давления воздуха в системе, состоящей из проходящей вдоль всего поезда магистрали и патрубков к тормозным цилиндрам. При непредвиденном отцеплении вагона от поезда его тормоз срабатывает автоматически. Недостатком такой тормозной системы является то, что тормоза всех вагонов срабатывают не одновременно, так как скорость распространения изменения давления воздуха по магистрали не может быть больше скорости звука в воздухе (в технических устройствах она обычно не превосходит 120 м/с). Следовательно, последний вагон в составе из 150 вагонов начинает тормозиться лишь через 15 с после торможения первого вагона, что приводит к опасной задержке торможения и большой длине тормозного пути.

На пассажирских поездах экономически оправданно применение более совершенных тормозов. В тормозных системах высокоскоростных поездов используют электропневматические тормоза, т.е. воздушные тормоза на каждом вагоне с централизованным электрическим их управлением. Если поезд, идущий со скоростью 160 км/ч, после включения чисто пневматических тормозов пройдет еще 2100 м до полной остановки, то при включении электропневматических тормозов это расстояние сокращается до 1200 м.

Вес поезда.

С учетом технических возможностей железнодорожного транспорта вес товарных поездов составляет 6000–10 000 т, а число вагонов 80–100; вес пассажирского поезда ограничивается 1500 т. При этом расход энергии и рабочих человеко-часов на тонно-километр перевозок оказывается минимальным.

Движение поездов.

Расписание и порядок прохождения поездов.

До появления телеграфа управление движением поездов на железных дорогах осуществлялось на основе расписания и правил, предписанных линейной администрацией. Этими правилами устанавливались распорядок преимущественного пропуска поездов различных классов и минимальный интервал от 5 до 10 минут между поездами, идущими в одном направлении. Кроме того, специальные дежурные сигнальщики отвечали за безопасность состава, который в случае остановки отправлялся только после поднятия ими флажков, разрешающих начало движения. С введением телеграфа была создана диспетчерская служба управления движением поездов, что позволило вносить изменения в расписание и правила линейной администрации.

Блок-перегоны.

Заданный интервал между проходящими поездами обеспечивается путем разбиения перегонов между станциями на более мелкие участки, именуемые блок-перегонами, на концах которых устанавливаются блок-посты со средствами сигнализации о занятости и свободе участка. Поначалу сигналы подавались вручную станционными и линейными работниками железных дорог. При этом сигнал, разрешающий въезд поезда на блок-перегон, сигнальщик выставлял только тогда, когда уже был оповещен сигнальщиком следующего блок-перегона о прохождении впереди идущего поезда. Кроме того, при однопутном движении надо было проверять и отсутствие встречного поезда. Позже была разработана система электрической сигнализации, в которой ток пропускался по обоим рельсам, благодаря чему определялось не только отсутствие поезда на блок-перегоне, но и разрывов рельсов на нем. Эта же система применяется и поныне. Короткозамкнутая цепь образуется парой рельсов и перемычкой из колес поезда и оси между ними.

Из-за большого тормозного пути скоростного поезда необходимо контролировать его приближение к блок-перегону на значительном расстоянии до него. Поэтому еще во времена ручной сигнализации были введены заблаговременные оповещения о разрешении или запрете въезда на блок-перегон. Осуществить это в системе электрической сигнализации оказалось довольно легко, и в простейшем случае аналогичные сигналы на последовательных блок-постах приобрели один и тот же вид. Приближаясь к занятому блок-перегону, машинист видит желтый свет или повернутое под углом 45° крыло семафора, установленного на расстоянии несколько больше тормозного пути от границы занятого блок-перегона, где в это время горит красный свет или крыло семафора расположено горизонтально. Первое сигнальное показание означает «Приготовиться к остановке у следующего блок-поста», а второе – «Стоп».

Для увеличения пропускной способности пути устанавливают промежуточные сигнальные средства, показания которых позволяют вновь увеличить скорость на длине тормозного пути, когда прежде занятый блок-перегон вдруг освободился. В таком случае первым сигнальным показанием будет зеленый свет над желтым, что означает «Сбросить скорость до следующего сигнального поста», а показание на следующем посте – желтый свет над красным, означающее «Тихий ход. Приготовиться к остановке у следующего поста». При этом поезд, шедший с малой скоростью, должен сразу сбавить ее до минимума и остановиться у поста с красным светом над красным, что означает «Стоп». Более поздние усовершенствования электрической сигнализации позволили непрерывно отображать показания дорожных сигнальных устройств непосредственно на табло в кабине локомотива, и погодные условия уже не влияют на способность машиниста верно воспринять сигнал впереди и немедленно отреагировать на него. На некоторых дорогах устройства сигнализации в кабинах локомотивов дополняются системами автоматического управления движением поезда, которые приводят в действие его тормоза, если машинист не успевает отреагировать на сигнал о необходимости снижения скорости. Такие средства автоматики действуют на всех участках интенсивного движения поездов.

Централизованное управление железнодорожным движением.

Налажена работа системы централизованного управления железнодорожным движением (ЦУЖД), благодаря которой повысились эффективность и безопасность железнодорожных перевозок, увеличились скорости поездов и общий вес доставляемых ими грузов, возросла пропускная способность путей. В системе ЦУЖД движение поездов организуется своевременным формированием нужных сигналов и переключением переводных стрелок путей с помощью электротехнических устройств, управляемых дистанционно из центра управления, который может находиться в сотнях километров от контролируемого участка железной дороги, который изображается в миниатюре на дисплее компьютерной системы центра. Оператор, манипулируя соответствующими тумблерами и кнопками на панели управления, направляет поезда по нужным путям с рекомендуемой скоростью. Благодаря ЦУЖД встречные поезда могут довольно близко сходиться, а скорые быстрее обгонять тихоходные. Система оснащена такой блокировкой, что невозможны движения поездов, противоречащие одно другому.

На современной железной дороге большую роль играет электроника. Радио обеспечивает мгновенную связь между машинистом и кондуктором, между поездами, между любым поездом и любой станцией. Кроме того, действуют переговорные радиоустройства микроволнового диапазона. С помощью средств двухсторонней радиосвязи оператор из центра может переговорить с любой поездной бригадой или станцией.

Работы в станционном парке.

Станционный парк представляет собой группу путей, на которых проводятся формирование и расформирование составов, а также перецепление вагонов от одних составов к другим для дальнейшего следования к местам назначения. Количество и длина путей в таком парке зависят от интенсивности движения и предполагаемого числа вагонов, которые предстоит отцеплять, перегонять и подцеплять в отведенные для этого промежутки времени. Конкретная схема станционного парка определяется не только этими соображениями, но и топографическими особенностями места его расположения. Эксплуатационные режимы зависят от всех упомянутых выше факторов.

Станционные парки условно делятся на грузовые терминалы и сортировочные станции, хотя на тех и других зачастую проводятся одинаковые работы. На терминалах, как правило, осуществляется и сортировка, а сортировочная станция обычно служит также терминалом того района, в котором находится. В парках обоих этих типов вагоны проверяют, моют, ремонтируют; там же есть и отстойники для вагонов.

В терминале принимают вагоны, загруженные на промышленных предприятиях или в пакгаузах, формируют из них составы, отправляемые в рейсы, в другие терминалы или сортировочные станции. С него же разгруженные вагоны – в отсутствие грузов срочной доставки – отправляются на те железные дороги, которым принадлежат, или туда, где имеются готовые к отправке грузы.

На сортировочной станции принимают составы, прибывающие с различных терминалов, расформировывают и формируют новые составы для плановых перевозок.

Большинство современных станционных парков, особенно сортировочных станций, оснащено автоматизированным оборудованием. Прибывающий состав сначала загоняется в приемный парк. Затем его вагоны проходят через сортировочную горку, где их расцепляют и скатывают на соответствующие сортировочные пути в зависимости от пункта назначения. С этих путей они уже как состав переводятся в парк отправки, где к ним подцепляют локомотив и служебный вагон, после чего поезд готов к рейсу.

Монорельсовая дорога.

Своеобразным вариантом железнодорожной транспортной системы является монорельсовый транспорт. Развивавшийся в начале 19 в. как городской и пригородный вид транспорта на направлениях с большими и регулярными пассажирскими потоками (Вупперталь, Нью-Йорк, Париж), к концу 20 в. монорельсовый транспорт вышел на междугородные трассы (Токио – Осака).

Различают навесные и подвесные монорельсовые дороги. В навесных системах вагоны опираются на ходовую тележку, расположенную над путевой балкой, а в подвесных вагоны подвешены к ходовой тележке и перемещаются под монорельсом. Благодаря способности развивать высокие скорости (до 500 км/ч при использовании воздушной подушки), возможности сообщения по кратчайшему расстоянию и высокой энергетической экономичности монорельсовый транспорт является перспективным видом городского, пригородного и промышленного транспорта. Тем не менее, возможности его применения ограничиваются, как и в случае метрополитенов, капиталоемкостью сооружения и обслуживания.