Теория тяги поездов

Список литературы
Подвижной состав и тяга поездов. Учебник для ВУЗов / под ред. В.В. Деева и Н.А. Фуфрянского, М. «Транспорт», 1979г.
Правила тяговых расчетов для поездной работы. М., 1985, 287с.
Подвижной состав и основы тяги поездов. Учебник для техникумов ж.д. транспорта / под ред. С.И. Осипова, М. «Транспорт», 1990г.

Теория тяги поездов
Наука о тяге поездов изучает комплекс вопросов, связанных с теорией механического движения поезда, рационального использования локомотивов и экономичного расходования энергоресурсов.
Основы теории локомотивной тяги позволяют решать широкий круг практических вопросов эффективной эксплуатации железных дорог, рассчитать основные параметры вновь проектируемых линий, участков, переводимых на новые виды тяги, намечать основные требования к вновь разрабатываемым локомотивам и вагонам.
С их помощью определяют силы, действующие на поезд, оценивают их влияние на характер движения, определяют оптимальную массу состава при выбранной серии локомотива.

Теория тяги поездов
Теория тяги позволяет рассчитать скорости движения в любой точки пути с учетом безопасности движения поездов и времени хода по каждому перегону и участку, определять расход энергоресурсов и проверять использование мощности локомотива.
На основании перечисленных данных составляют график движения поездов, определяют пропускную и провозную способность дорог и рассчитывают эксплуатационные показатели локомотивного хозяйства.
На действующих линиях теория позволяет найти рациональные режимы вождения поездов на различных участках и наиболее экономичные условия эксплуатации локомотивов.

Теория тяги поездов
При разработке проектов электрификации дорог определяют токи, потребляемые электровозами в различных точках пути, пользуясь теорией электрической тяги. На их основании рассчитывают систему электроснабжения.
Теория тяги поездов позволяет найти скрытые резервы при электрификации линий, развитии провозной и пропускной способности действующих дорог, эффективно использовать локомотивы на каждом участке, экономно расходуя энергоресурсы

Теория тяги поездов
В тяге поездов принято считать, что локомотив и вагоны, связанные между собой автосцепками, движутся в пространстве и времени как единое целое - как система, не имеющая никаких других движений, кроме управляемого.
В теории тяги изучают управляемое движение поездов.
При этом поезд рассматривают как управляемую систему, функционирующую в условиях переменных возмущающих воздействий внешней среды, наложения внутренних и внешних удерживающих связей и нормативных ограничений ее управляющих воздействий.

Теория тяги поездов
Автосцепки являются внутренними, а рельсы - внешними удерживающими связями, определяющими траекторию движения и направление сил, воздействующих на управляемое движение поезда.
Переменные внешние воздействия обусловлены неравномерностью профиля пути, колебанием скорости по условиям организации движения поездов и метеорологическими условиями.

Теория тяги поездов
Ограничения обусловлены ресурсами управления и условиями эксплуатации.
Ограничения по ресурсам управления определяются: ограничениями в получаемой энергии от источника мощности; номинальной мощностью тяговых двигателей; оснащенностью поезда тормозными средствами; сцеплением движущих колес с рельсами, определяющим устойчивость против боксования; конструкционной скоростью локомотива; условиями надежности по допускаемым токам и напряжениям электрических машин.
Ограничениями по условиям эксплуатации являются: длина приемо-отправочных путей станций; метеорологические условия; температура нагрева обмоток электрических машин локомотивов; потери напряжений в контактной сети при неравномерном движении поездов; предельно допускаемые скорости; унификация весовых норм и др.

Теория тяги поездов
При расчетах движения поездов стремятся достигнуть наибольшего заполнения провозной и пропускной способности железных дорог при минимальных затратах ресурсов.
Для достижения этой цели исходят из принципа возможного максимума: вождения поездов наибольшего веса с наибольшей допустимой скоростью при наибольшем использовании кинетической энергии на неравномерном профиле пути.

Теория тяги поездов
Когда же движение рассчитано и задано расписанием, то цель управления состоит в том, чтобы поезд прибыл в заданное место и в заданное время, что входит в обязанность диспетчера и машиниста.
Очевидно, и для расчета движения, и для практической реализации его машинистом требуется подобрать такие движущие и тормозные силы, которые в состоянии преодолеть силы сопротивления движению или силы инерции и обеспечить достижение заданных состояний поезда на любом этапе управления.

Теория тяги поездов
Такими управляемыми силами являются сила тяги локомотива и тормозная сила поезда.
Эти силы относятся к управляющим воздействиям, под которыми понимают воздействия, сознательно изменяемые для достижения цели управления. К возмущающим воздействиям относятся силы сопротивления движению поезда.
Закон изменения состояния системы во времени на любом этапе управления путем подбора управляющих воздействий составляет программу управления поездом машинистом.
Такими программами могут быть режимные карты вождения поездов, разрабатываемые работниками депо на основе экспериментов и достижений передовых машинистов.

Теория тяги поездов
Теоретические и экспериментальные исследования привели к выводу о том, что для выполнения программы движения поезда нет необходимости определять все силы, все координаты и скорости движения каждого объекта - вагона и локомотива, входящих в систему поезда, как этого требует классическая механика.
Оказывается, достаточно учитывать только те силы, скорости и координаты, которые характеризуют поезд как систему в целом и которые связаны с программой управления его движением.

Теория тяги поездов
Если же учитывать все силы, скорости и координаты всех вагонов поезда, то расчеты движения становятся алгоритмически неразрешимой задачей даже на ЭВМ.
Такой выборочный подход к расчету движения, когда вместо поведения реальной системы рассматривают поведение ее модели, пренебрегая несущественными факторами, называют моделированием, составляющим методологическую основу не только теории тяги поездов, но и современных исследований сложных систем.
Для расчета движения используется математическая модель поезда - дифференциальное уравнение движения, описывающее его поведение с достаточной для целей практики точностью.
Решение дифференциального уравнения позволяет определить закон движения на всех этапах управления и поэтому составляет центральную часть теории тяги и тяговых расчетов.

Теория тяги поездов
Расчетную часть теории тяги поездов называют тяговыми расчетами.
Нормативы расчетных величин и методики тяговых расчетов, утвержденные МПС, имеют силу отраслевого стандарта, и называются Правилами тяговых расчетов (ПТР).
Таким образом, тяговые расчеты являются основным расчетным инструментом в деле рационального функционирования, планирования и развития железных дорог.

Формирование модели поезда
Для того чтобы обеспечить необходимое сходство в поведении оригинала и модели поезда, необходимо вначале сформировать - как систему с допущениями, физическую модель упрощающими расчет и не оказывающими существенного влияния на точность расчетов движения.
После этого можно составить аналитическое описание поведения поезда - математическую модель.

Формирование модели поезда
На этом основании установлены постулаты - исходных положения для формирования модели поезда.
Постулат I. Поезд двигается в одном направлении - вдоль рельсов, т.е. имеет одну степень свободы, а значит, для описания его поведения требуется лишь одно уравнение движения, что облегчает расчеты и принято, в теории тяги поездов.

Формирование модели поезда
Постулат II. Для описания поведения поезда, имеющего одну степень свободы, необходимо и достаточно знать только те силы, которые совпадают с направлением движения или противоположны ему.

Формирование модели поезда
Постулат III. Так как поступательное движение неизменяемой системы полностью определяется движением центра ее масс, то движение поезда можно описать как движение материальной точки, в которой сосредоточена вся масса поезда.

Формирование модели поезда
Постулат IV. Так как сумма работ внутренних сил неизменяемой системы равна нулю, то для описания движения поезда достаточно учитывать только внешние силы и не принимать во внимание внутренние.

Формирование модели поезда
Постулат V. Исходя из принципа суперпозиции в теории тяги все силы, воздействующие на управляемое движение поезда, заменяют одной равнодействующей силой, равной по величине алгебраической сумме внешних сил и приложенной в средине поезда в направлении движения или против него.

Формирование модели поезда
Итак, в результате принятых допущений физическую модель поезда можно представить как управляемое движение материальной точки с одной степенью свободы, в которой сосредоточена вся масса поезда и к которой приложена равнодействующая сила, равная по величине алгебраической сумме внешних сил, действующих по направлению или против движения поезда.
В тяге поездов все силы, воздействующие на управляемое движение, считают приложенными к ободам колес локомотива и вагонов поезда.

Силы, действующие на поезд
Соответственно принятой модели поезда определились силы, которые необходимо учитывать в расчетах движения:
Fк - касательная сила тяги локомотива;
Wк - сопротивление движению поезда;
Bт - тормозная сила поезда.

Силы, действующие на поезд
Силой тяги называют управляемую движущую силу, создаваемую двигателями тяговой передачи локомотива во взаимодействии с рельсами и приложенную к ободам движущих колес в направлении движения поезда.
Сила тяги, как управляющее воздействие, может изменяться:
машинистом
либо в результате саморегулирования тяговых передач локомотивов, обладающих свойством адаптивности,
либо автоматическим устройством - автомашинистом.

Силы, действующие на поезд
Силой сопротивления движению называют совокупность всех неуправляемых сил, возникающих в процессе движения, приведенных к ободам колес поезда и направленных против движения.

Силы, действующие на поезд
Тормозной силой называют совокупность управляемых сил, создаваемых тормозными средствами поезда во взаимодействии с рельсами и приложенных к ободам колес в направлении, противоположном движению. Действие этой силы регулируется машинистом или автоматическим устройством.

Силы, действующие на поезд
При неравномерном движении поезда действуют также силы инерции (I) поступательно движущихся масс и вращающихся масс поезда, на преодоление которых затрачивается работа силы тяги или тормозной силы.
Однако при определенных условиях кинетическая энергия этих сил может преобразовываться без потерь в работу по передвижению поезда.