Информационные технологии в управлении перевозочным процессом на железнодорожном транспорте.

Межвуз.сб.научн.трудов. – Хабаровск, ДВГУПС, 1998. – С.117-127

В.П.Могила, В.В.Анисимов (ДВГУПС)

 

КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛИНЫ СТАНЦИОННЫХ ПУТЕЙ И МОЩНОСТИ ЛОКОМОТИВОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

 

Задача проектирования новой железной дороги, обеспечивающей заданные объемы перевозок грузов и пассажиров при минимальных затратах денежных средств, может быть решена тем успешнее, чем более полно и объективно будет учтено влияние разнообразных факторов на ее характеристики.

Важнейшими из них являются условия и особенности технологии перевозок на будущей железной дороге.

Как правило, при разработке проектов новых железнодорожных линий в качестве независимых переменных параметров принимаются длина станционных путей и характеристики поездного локомотива. На их основе, прежде всего, устанавливаются средняя и максимальная массы поезда, а затем определяются расчетный уклон, скорость движения, пропускная и провозная способности железной дороги. При такой последовательности решения задачи правильный выбор расчетного значения массы грузового поезда оказывает определяющее влияние на уровень остальных зависимых параметров, в том числе параметров цели - провозной и пропускной способности, а также размеров капиталовложений и эксплуатационных расходов.

Проблема выбора расчетных значений массы поезда осложняется тем, что в практических условиях эксплуатация железных дорог, при заданном типе локомотива и длине станционных путей, значения массы и длины различных поездов, неодинакова. У поездов, сформированных из вагонов с легкими грузами, величина состава соответствует длине путей, а масса меньше установленной нормы. Поезда, сформированные из вагонов с тяжелыми грузами, как правило, полновесны, но не полносоставны. В реальных условиях организации перевозок масса и длина поездов изменяются в довольно широком диапазоне и при прочих равных условиях зависят от структуры грузопотоков, типа используемых вагонов и принятого варианта плана формирования поездов.

Так например, отправительский маршрут, сформированный из платформ, загруженных легковыми автомашинами, с электровозом ВЛ80т, при расчетном уклоне 9 ‰ и длине станционных путей 850 м будет полносоставным, длиной 807 м и массой 1700 т, а длина маршрута из восьмиосных полувагонов с углем составит только 550 м при массе 4750 тонн.

Рис. 1. Экспериментальная гистограмма распределения вагонопотоков по погонным нагрузкам на эксплуатируемом железнодорожном участке: а) в четном направлении; б) в нечетном направлении

Обобщающим показателем массы и длины поезда является его погонная нагрузка, определяемая как отношение массы поезда к его длине. В настоящее время на железных дорогах Российской Федерации погонные нагрузки груженых поездов изменяются в пределах от 2 до 8,5 т/м, а в будущем, в связи с повышением осевых нагрузок, возрастут до 10,5 т/м.

Важным параметром, характеризующим структуру поездопотоков, является величина вероятности тех или иных значений погонной Нагрузки на конкретной железнодорожной линии, которая показывает какая доля среднесуточного вагонопотока перемещается в поездах с разными уровнями погонных нагрузок.

В качестве примера на рис. 1 приведены эмпирические гистограммы распределения погонных нагрузок для одного из тяговых участков Дальневосточной железной дороги для четного (груженого) и нечетного (порожнего) направлений. Из рис.1,а видно, что основная часть вагонопотока (60 %) следует в поездах, имеющих погонные нагрузки от 5,25 до 6,5 т/м. Средняя погонная нагрузка этой части вагонопотока составляет 5,89 т/м, при этом основная часть вагонопотока на гистограмме смещена вправо, в зону более высоких (Около 6 т/м) погонных нагрузок. На рис. 1.6, наоборот, 72 % вагонопотока смещено влево, в зону низких погонных нагрузок (около 2 т/м).

Рис. 2. Проектная гистограмма распределения вагонопотоков по погонным нагрузкам

На рис.2 представлена проектная гистограмма распределения вагонопотока для случая, когда большая часть вагонопотока (около 75 %) следует в поездах, имеющих погонные нагрузки, близкие к ее среднеарифметическому значению.

Анализ приведенных и ряда дорогих гистограмм распределения погонных нагрузок показывает, что во многих случаях от 50 до 60 % поездов имеют близкие величины погонных нагрузок, не на много отличающиеся от средневзвешенного значения. Остальная часть поездов делится на две группы, в первой из которых погонные нагрузки ряда поездов близки к минимальным, а во второй - к максимально возможным.

Естественно, что в расчетах, связанных с проектированием новых железных дорог, величину их технических параметров следует выбирать таким образом, чтобы обеспечить наиболее благоприятные условия пропуска (с точки зрения экономики) именно большей части поездов, имеющих примерно одинаковые погонные нагрузки.

В методике принятия решений при выборе параметров новой железной дороги, приведенной в курсе "Изыскания и проектирование железных дорог" [1], содержательная постановка задачи формулируется следующим образом: "...необходимо разработать проект железной дороги, обеспечивающей заданные размеры перевозок при минимальных денежных затратах...". Подчеркивается также, что в рассматриваемой задаче следует исходить из целесообразности полного использования полезной длины приемоотправочных путей и полного использования силы тяги локомотива.

Основное содержание методики сводится к тому, что при заданной структуре грузооборота в качестве одного из возможных вариантов выбираются независимые параметры - длина приемо-отправочных путей lс и тип локомотива с известными тяговыми характеристиками.

Затем рассчитывается максимальная масса состава брутто Qсмaх, ограниченная длиной приемо-отправочных путей lс, длиной локомотива lл и максимальной погонной нагрузкой pmax:

Qсmaх = pmax (lс - lл - 10).     (1)

Далее принимается, что максимальная масса состава, определяемая по длине станционных путей, равна максимальной массе, определяемой силой тяги локомотива:

     (2)

На основе равенства Qсмaх = Qлмaх устанавливается величина расчетного уклона проектируемой дороги:

     (3)

где Fкр - расчетная сила тяги локомотива; Pл - вес локомотива; wо - основное удельное сопротивление локомотива; wо - основное удельное сопротивление вагонов, определяемое для максимальной погонной (осевой) нагрузки.

Аналогично рассматриваются возможные варианты для других типов локомотивов или значений длины станционных путей, т.е. формируется множество вариантов. После отбора допустимых вариантов производится весь комплекс проектных работ для каждого из них, а затем их технико- экономическая оценка и выбор лучшего.

Такая методика имеет существенный недостаток, так как в своей основе не учитывает структуру распределения вагонопотоков по погонной нагрузке. Определение расчетного уклона без каких либо обоснований ведется на основе максимальной погонной нагрузки. В тоже время из приведенных ранее гистограмм распределения погонных нагрузок видно, что удельный вес поездов с максимальными нагрузками незначителен. Подчеркнутое ранее требование целесообразности полного использования полезной длины приемоотправочных путей и силы тяги в этом случае будет выполнено только для незначительной части поездов, имеющих максимальную погонную нагрузку, у подавляющей же части поездов сила тяги локомотива будет недоиспользоваться. Это хорошо видно на графиках зависимости массы поезда от длины станционных путей и силы тяги локомотива, приведенных на рис.3.

Qс = p (lс - lл - 10);     (4)

     (5)

При их построении в формуле расчета основного удельного сопротивления вагонов нагрузка на ось принимается равной:

     (6)

где lв - средняя длина вагона; k0 - число осей у вагона; р - погонная нагрузка в тоннах на метр пути.

На рис.3 линии I и II представляют зависимости массы поезда для заданного локомотива, соответствующие расчетным уклонам ip и i’p. Линия III - зависимость массы поезда от длины станционных путей.

График Qл = f(Fкр, ip, р) построен для условия равенства максимальных значений массы состава по длине пути и силе тяги локомотива при максимальной погонной нагрузке.

Рис. 3. График зависимости массы поезда от силы тяги локомотива и длины станционных путей

На рис.3 видно, что в случае выбора расчетного уклона по массе поезда с максимальной погонной нагрузкой, составы поездов во всем диапазоне нагрузок от pmin до рmax будут ограничиваться полезной длиной станционных путей. Сами пути в этом случае будут использоваться наилучшим образом, но сила тяги локомотива будет недоиспользоваться у большинства поездов. Так например, для электровоза ВЛ80т, lс = 850 м; lв = 15 м; р - 6,12 т/м; максимальная масса состава равна Qmax = 4940 т, а соответствующий ей расчетный уклон - 8,71 ‰. Для средневзвешенной погонной нагрузки р* = 4,66 т/м, масса состава по силе тяги локомотива Qл = 4856 т, а по длине пути только Q*с = 3756 т. Следовательно, масса каждого состава, имеющего среднюю погонную нагрузку, будет на 1100 тонн меньше, чем это возможно по силе тяги локомотива. Недоиспользование силы тяги в приведенном примере составляет около 23 %. При этом следует иметь ввиду, что у поездов с погонными нагрузками меньшими, чем средняя, разница между массой поездов, которая может быть реализована по силе тяги локомотива и по длине станционных путей, будет еще большей.

Если принять во внимание, что около 50-60 % поездов имеют погонную нагрузку, близкую к средневзвешенному значению, то потери от недоиспользования мощности локомотивов оказываются значительными.

В вариантах с расчетными уклонами, меньшими, чем принятый в примере, недоиспользование мощности локомотива будет более заметным.

В методике [1] нет доказательств тому, что возможные варианты расчетных уклонов, выбранные с использованием максимальных погонных нагрузок, обеспечат выбор оптимального варианта новой железной дороги. Точно также можно было бы проводить выбор параметров и по минимальной нагрузке, обеспечивая при этом полное использование мощности локомотивов во всем диапазоне погонных нагрузок и неудовлетворительное использование длины станционных путей. Как этот, так и применяемый в методике [1] способ определения расчетного уклона, являются двумя возможными крайними вариантами, которые можно было бы рассматривать как конкурентоспособные среди множества других вариантов в диапазоне погонных нагрузок от минимальной до максимальной. Недостаточность методики [1] заключается также и в том, что параметры дороги, выбранные по максимальной погонной нагрузке, в процессе последующей эксплуатации не будут соответствовать технологии перевозок, которая, согласно инструкции по составлению графика движения поездов [2], основывается на расчете норм массы и скоростей движения поездов на базе средних погонных нагрузок.

В связи с изложенным предлагается при разработке проектов новых железных дорог выбор расчетного уклона производить не по максимальной, а по средневзвешенной погонной нагрузке. При этом в формулу (1) вместо ртах следует подставить р*, а в формуле (2) основное удельное сопротивление вагонов рассчитывать не для максимальной нагрузки на ось вагона, а для средневзвешенного значения у груженых вагонов. В этом случае линии зависимостей Q’л = f(Fкр, i’p, р) и Qc = f(lc, P) будут пересекаться в точке, соответствующей средней погонной нагрузке (на рис.3, - т. 2).

Это возможно реализовать или за счет использования менее мощного локомотива, чем был принят первоначально, или за счет увеличения расчетного уклона от ip до i’p. В первом случае это приведет к снижению расходов на перевозки, а во втором - к уменьшению уровня строительных затрат. Как видно, и тот и другой способ приводят к увеличению степени использования мощности локомотива.

Возможен и третий вариант: для первоначально выбранного локомотива подбор такой длины станционных путей, при которых указанные линии зависимостей, пересекались бы в точке 3. Это также приведет к улучшению степени загрузки локомотивов и снижению расходов на перевозки за счет сокращения размеров движения поездов. В любом из этих трех вариантов весь вагонопоток разделится на две части, одна из которых будет осваиваться полносоставными поездами, а другая полновесными.

Расчетные (потребные) размеры движения грузовых поездов в этом случае следует определять не по средней погонной нагрузке, как это предусмотрено в методике [1], а раздельно для вагонопотока, перемещаемого в полносоставных поездах и в поездах полновесных. Количество полносоставных поездов можно определить как:

     (7)

где n - общий суточный вагонопоток, ваг; - доля вагонопотока, перемещаемого в полносоставных поездах; lв - средняя длина вагона; а число полновесных поездов, как:

     (8)

где pi - вес брутто вагонов, имеющих i-погонные нагрузки; аi - доля вагонов, имеющих i-погонные нагрузки; Q* - масса состава, рассчитанная для среднего значения погонной нагрузки.

Числитель формулы (7) представляет суммарную длину вагонов, включаемых в полносоставные поезда, а формулы (8) - суммарный вес вагонов в составах полновесных поездов.

Общее расчетное суточное количество полносоставных и полновесных поездов равно:

Np = Nпс + Nпв.     (9)

Для решения задачи выбора параметров новой железной дороги на основе средневзвешенного значения погонной нагрузки, необходимо располагать проектной гистограммой распределения погонных нагрузок. Она может быть с достаточной степенью точности построена на основе данных о проектных размерах грузовых перевозок по родам грузов, статистических данных о доле вагонопотоков, включаемых в маршруты с мест погрузки, информации о фактическом распределении вагонопотоков по погонным нагрузкам на действующих параллельных ходах или примыкающих к проектируемой, железнодорожных линиях.

В качестве примера рассмотрим, как изменяются в проекте параметры однопутной железной дороги при расчете массы поезда и величины расчетного уклона по средневзвешенной погонной нагрузке по сравнению с рассчитанными по максимальной.

Предположим, что суточный проектный объем перевозок в груженом направлении составляет 1000 вагонов, а распределение этого вагонопотока по погонным нагрузкам соответствует гистограмме, приведенной на рис.3. Максимальная погонная нагрузка составляет 7 т/м, а средневзвешенная 4,67 т/м. В качестве независимых параметров приняты три варианта длины станционных путей: lс = 850; 1050; 1250 м; локомотивы BЛ80 и ВЛ60, с расчетной силой тяги соответственно; Fкр = 51200 и 36800 кг, основным удельным сопротивлением wo = 2,9 кг/т.

Длина локомотивов соответственно равна: lл = 33 и 21 м, вагона lв = 15 м, основное удельное сопротивление вагонов при расчетной скорости: Vр = 43,5 км/ч и максимальной погонной нагрузке wo = 1,22 кг/т, а при средневзвешенной - 1,39 кг/т.

Значения средней и максимальной массы поезда определено по формуле (1), расчетного подъема по формуле (3), расчетные размеры движения поездов по формуле (9). Результаты расчета сведем в таблицу.

В приведенной таблице I вариант параметров железной дороги рассчитан по методике [1], а варианты II, III, IV - по предлагаемой методике. В вариантах I-III указаны значения массы поездов, рассчитанные для средней погонной нагрузки 4,67 т/м, которая разграничивает области формирования полносоставных и полновесных поездов. В IV варианте такой нагрузкой является 4,85 т/м, ей соответствуют значения массы поездов, приведенные в этом варианте.

Анализ таблицы показывает, что во всех вариантах при одинаковых значениях полезной длины станционных путей потребные (расчетные) размеры движения поездов различаются всего на 0,4- 1,4 поезда или на 3-7 % от минимальных размеров движения, полученных в I варианте.

В то же время при одинаковых типах локомотивов значения расчетных уклонов во втором варианте в среднем на 55 % больше, чем в первом. Следовательно, при примерно одинаковых эксплуатационных расходах второй вариант по строительным затратам будет значительно экономичнее.

Таблица результатов расчета параметров новой железной дороги

Варианты
расчета
Длина
станционных
путей,
м
Средняя
масса
состава,
т
Максимальная
масса
состава,
т
Расчетный
уклон,
Доля
вагонопотока
Расчетные
размеры
движения
поездов
в
полносоставных
поездах
в
полновесных
поездах
I
ВЛ80
850 3769 5649 7,50 100 0 18,5
1050 4703 7049 5,81 100 0 14,9
1250 5637 8449 4,67 100 0 12,4
II
ВЛ80
850 3769 - 11,49 56,4 43,6 19,9
1050 4703 - 9,02 56,4 43,6 16,0
1250 5637 - 7,35 56,4 43,6 13,3
III
ВЛ60
850 3769 - 7,97 56,4 43,6 19,9
1050 4703 - 6,16 56,4 43,6 16,0
1250 5637 - 4,94 56,4 43,6 13,3
IV
ВЛ60
850 3978 - 7,50 57,5 42,5 19,2
1050 4944 - 5,81 57,5 42,5 15,4
1250 5900 - 4,67 57,5 42,5 12,8

Третий вариант по сравнению с первым окажется также более выгодным как по строительным, так и по эксплуатационным затратам, в связи с тем, что расчетные уклоны в нем несколько больше, чем в первом, а перевозки организуются локомотивом, имеющим мощность на 25% меньшую, чем локомотив первого варианта.

В четвертом варианте расчетные уклоны равны уклонам первого варианта, следовательно их строительные затраты будут одинаковы, но по эксплуатационным расходам третий вариант будет более выгодным в связи с тем, что в нем используется менее мощный локомотив.

Иначе говоря, все варианты железной дороги, параметры которой рассчитаны по предлагаемой методике, являются экономически более выгодными, чем варианты с параметрами, определенными по методике [1]. Объясняется это тем, что предлагаемая методика опирается на сопоставление вариантов, в которых предусматривается комплексное использование как длины станционных путей, так и мощности локомотивов. В результате этого большая часть поездов по значениям погонных нагрузок очень хорошо согласуется с уровнем силы тяги принятого локомотива и длины путей.

Во многих случаях выбора параметров новых железных дорог, а также при реконструкции существующих линий, в качестве первоначального исходного параметра задается не длина станционных путей, а величина руководящего уклона. При этом несколько изменяется порядок расчета остальных параметров линии, однако проблема эффективного использования станционных путей и мощности локомотивов сохраняется. Поэтому и в этих случаях выбор лучших вариантов следует производить исходя из средневзвешенных погонных нагрузок.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Изыскания и проектирование железных дорог / Под ред. И.В. Турбина. - М.: Транспорт, 1989.

2. Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М.: Транспорт, 1985.

3. Инструкция по составлению графика движения поездов на сети железных дорог Российской Федерации: ЦЦ/215; Утв. 15.12.1993. /МПС.