Конференция Алтангэрэл Энх

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА БЕЗОПАСНОСТЬ
И ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ
ПОЕЗДОВ
Алтангэрэл Энх-Амгалан
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
Научный руководитель – Бакланов Александр Алексеевич, к.т.н., доцент ОмГУПС
Обеспечение безопасности и энергетической эффективности движения поездов
являются важнейшими условиями производительной работы железных дорог. На
безопасность движения поездов влияют многие факторы, основными из которых
являются конструкция и прочность подвижного состава и пути, параметры
нагрузочных режимов локомотивов и вагонов, условия движения поездов, техническое
состояние всех устройств, непосредственно связанных с движением поездов, и т. п. В
свою очередь, например, параметры нагрузочных режимов локомотивов и затраты
энергии на тягу зависят от массы, скорости и режимов движения поездов, профиля и
плана пути участка, климатических факторов и др. При обеспечении нормальных
условий движения поездов, технического состояния всех устройств и нагрузочных
параметров безопасность движения поездов во многом зависит от вида и
эффективности их тормозов. Повышение безопасности движения поездов и снижение
энергозатрат на тягу позволяют уменьшить эксплуатационные расходы и повысить
эффективность перевозочного процесса.
Как известно, безопасность движения при прочих равных условиях
обеспечивается тормозами поездов, прежде всего, пневматическими автоматическими
тормозами. При пневматическом торможении в грузовых поездах, особенно
повышенной массы и длины, возникают большие продольно-динамические силы,
способные вызвать обрыв автосцепных устройств и выдавливание вагонов. С целью
уменьшения продольно-динамических сил в таких поездах разрабатывают и применяют
различные устройства, которые наряду с положительными аспектами имеют
определенные недостатки.
В связи с увеличением объема перевозок, массы и скорости движения поездов на
электрифицированных участках железных дорог возрастает актуальность применения
электрического, прежде всего, рекуперативного торможения электроподвижного
состава.
Практика показывает, что рекуперативное торможение обычно применяют на
спусках для поддержания установившейся скорости движения поезда V, близкой к
максимально допустимой на данном перегоне. В этом случае на поезд действуют
следующие силы: сила от уклона Wi; сила основного сопротивления движению Wo;
касательная тормозная сила электровоза Вк. С целью упрощения будем считать, что
сила дополнительного сопротивления движению от кривых Wr учитывается в силе
основного сопротивления движению. При этом тормозная сила электровоза
определяется разностью сил Вк = Wi – Wo.
В режиме тяги при движении поезда на подъеме касательная сила тяги
электровоза Fк равна сумме сил от подъема Wi и основного сопротивления движению
Wo, то есть Fк = Wi + Wo. Следовательно, при его движении поезда с какой-либо
скоростью V на спуске крутизной i тормозная сила Вк рекуперативного тормоза
электровоза меньше его силы тяги Fк при движении с такой же скоростью на подъеме
такой же крутизны на удвоенную величину силы основного сопротивления движению
Wo, то есть Вк = Fк – 2Wo.
Таким образом, при прочих равных условиях в режиме рекуперативного
торможения электровоза его мощность и ток значительно меньше, чем в режиме тяги.
Но нужно иметь в виду, что при высокой скорости движения на спуске большой
крутизны требуется большая мощность рекуперативного тормоза и, когда ее
недостаточно, приходится использовать пневматическое торможение.
Рекуперативное торможение поездов наиболее целесообразно использовать
вместо пневматического для поддержания установившейся скорости движения на
спусках с тем, чтобы не превысить допускаемую скорость. Основные условия
правильного и безопасного применения электрического торможения заключаются в
том, чтобы не превысить максимальную тормозную силу электровоза по условиям
выдавливания вагонов из состава и по условиям сцепления колес электровоза с
рельсами с целью предотвращения юза и образования так называемых ползунов на
поверхностях катания колес.
Согласно Правилам тяговых расчетов [1, 2] при электрическом торможении в
голове поезда с гружеными вагонами при нагрузке на ось вагона свыше 12 т
максимальная тормозная сила электровоза по условиям устойчивости вагонов от
выжимания допускается не более 980 кН (100 тс), при нагрузке на ось вагона менее 12 т
максимальная тормозная сила электровоза допускается не более 490 кН (50 тс).
Максимальная тормозная сила электровоза по условиям сцепления его колес с
рельсами в режиме электрического торможения определяется коэффициентом
сцепления, который при рекуперативном торможении принимается равным 0,8 от
коэффициента сцепления в режиме тяги.
С использованием формул и нормативов [1-3] рассчитаны и на рисунках 1-2
приведены показатели рекуперативного торможения грузового поезда массой 6000 т из
4-осных вагонов на подшипниках качения с нагрузкой на ось вагона 22 т при движении
на бесстыковом пути с различными установившимися скоростями V на спусках
крутизной i.
Анализ кривых на рисунке 1 показывает, что максимальная тормозная сила
электровоза при электрическом рекуперативном торможении с грузовым поездом
массой 6000 т при движении на спусках крутизной до 10 ‰ с установившейся
скоростью достигает 500-550 кН, то есть не превышает допустимого значения 980 кН
(100 тс). При возрастании скорости требуемая тормозная сила электровоза несколько
снижается из-за увеличения основного сопротивления движению.
Расчеты показывают, что при регулировочном пневматическом торможении
грузового поезда массой 6000 т тормозная сила достигает 1800-2400 кН, то есть
существенно
превышает
тормозную
силу
рекуперативного
торможения.
Следовательно, при пневматическом торможении из-за значительно большей
тормозной силы возрастает вероятность выдавливания и схода вагонов, а также обрыва
автосцепных устройств, особенно при экстренном торможении. Разумеется, для
остановки поезда обязательно требуется пневматическое торможение.
Большим преимуществом электрического рекуперативного торможения является
возврат выработанной электрической энергии в контактную сеть, которая потребляется
другими поездами в режиме тяги. По кривым на рисунке 2 видно, что удельный
возврат электроэнергии при рекуперативном торможении грузового поезда массой 6000
т на спусках крутизной до 10 ‰ достигает 160-180 кВт∙ч/104 т∙км. Разумеется, в целом
на электрифицированном полигоне железной дороги средний удельный возврат
электроэнергии будет значительно меньше, но тем не менее, на некоторых участках
относительный возврат электроэнергии при рекуперации достигает 15-20 % и более.
Есть участки, на которых возврат электроэнергии при рекуперации превышает ее
потребление в тяге и за поездку получается отрицательный расход электроэнергии.
Рисунок 1
Рисунок 2
В целом на электрифицированных полигонах Российских железных дорог
эффективность рекуперативного торможения достаточно высокая, поскольку за счет
него достигается экономия электроэнергии порядка 100 млн. кВт.ч в год и более на
шести железных дорогах: Дальневосточной, Восточно-Сибирской, Красноярской,
Западно-Сибирской, Южно-Уральской, Куйбышевской.
На Улан-Баторской железной дороге в настоящее время применяется тепловозная
тяга и безопасность движения поездов обеспечивается только автоматическими
пневматическими тормозами. Надежность автотормозов обусловлена, прежде всего, их
техническим состоянием, климатическими и другими факторами. Опыт показывает, что
в условиях резкоконтинентального климата Монголии иногда происходят отказы
автотормозов и нарушается безопасность движения поездов.
Перспективы развития Улан-Баторской железной дороги связаны с ее
электрификацией, которая позволит повысить, прежде всего, провозную и пропускную
способность. С другой стороны, электрическая тяга позволит наряду с пневматическим
торможением поездов применять электрическое рекуперативное торможение, за счет
этого значительно повысить безопасность движения поездов, уменьшить энергозатраты
на тягу поездов и в целом эксплуатационные расходы.
В заключение отметим основные преимущества электрического рекуперативного
торможения по сравнению с пневматическим: высокая плавность движения поезда;
значительно меньшие продольно-динамические силы; меньшая вероятность обрыва
автосцепных устройств и схода вагонов в грузовых поездах, то есть более высокая
безопасность движения, обусловленная также наличием второго тормоза; сокращение
времени движения на спусках за счет поддержания более высокой скорости и
повышение пропускной способности участков с перевалистым (холмистым) профилем
пути; экономия тормозных колодок и электрической энергии.
Выводы
1. Электрическое рекуперативное торможение способствует повышению
плавности торможения, уменьшению продольно-динамических сил, вероятности
обрыва автосцепных устройств и схода вагонов в грузовых поездах, сокращению
износа тормозных колодок и расхода электрической энергии
2. Электрификация Улан-Баторской железной дороги в перспективе позволит
применять электрическое рекуперативное торможение электроподвижного состава и,
таким образом, повысить провозную и пропускную способность дороги, безопасность и
энергетическую эффективность движения поездов.
Список литературы
1. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985. 287 с.
2. Гребенюк П.Т., Долганов А.Н., Скворцова А.И. Тяговые расчеты. Справочник.
Транспорт, 1987. 272 с.
3. Теория электрической тяги/ Под ред. И.П. Исаева. М.: Транспорт, 1995. 294 с.