МОГИЛА_УП

Средняя масса поезда рассчитывается в процессе планирования перевозок для определения размеров движения, установления технических норм работы железных дорог, экономической оценки вариантов организации движения и т. п., а также как отчетная величина – для оценки качества организации перевозок. Расчет отчетной величины средней массы поезда ведется на основе статистической обработки графиков исполненного движения.

Длина поезда может измеряться количеством физических вагонов, количеством условных вагонов или в метрах. Так как каждый род под-

вижного состава имеет различную длину, то для определения длины поезда и проверки ее соответствия вместимости станционных путей, длину различных подвижных единиц (в том числе и локомотивов) приводят к длине условного вагона.

В качестве условного вагона на железных дорогах России принят четырехосный полувагон длиной 14 м. При этом за длину вагона принимается расстояние между осями автосцепок. Перерасчет числа физических вагонов в условные производится с помощью переводных коэффициентов, приведенных в специальных таблицах укрупненных данных для подсчета длины и массы тары вагонов, которыми оснащаются станционные технологические центры. Такие таблицы имеются также в книгах служебных расписаний движения грузовых поездов, издаваемых управлениями железных дорог (в сокращенном виде эти сведения приведены в табл. 1 приложения). В этих таблицах для каждого типа вагонов дана приведенная длина, которая показывает, во сколько раз этот тип вагонов длиннее или короче условного. Так, например, приведенная длина 8-осного полувагона с люками в полу и торцевыми дверями составляет 1,45. Это означает, что этот вагон по длине равен 1,45 длины условного или 14 1,45 = 20,3 м.

Чтобы подсчитать длину поезда в условных вагонах, необходимо в натурном листе напротив каждого физического вагона проставить его приведенную длину. Сумма этих чисел даст величину поезда в условных вагонах. Если же необходимо определить длину поезда в метрах, то достаточно количество условных вагонов в поезде умножить на длину условного вагона, т. е. на 14 м.

Внатурных листах длина поездов указывается как в физических, так и

вусловных вагонах, а в техническо-распорядительных актах станций полезная длина приемоотправочных путей – в метрах и в условных вагонах.

Поездная погонная нагрузка – это основной показатель, характеризующий грузопоток и вагонопоток конкретного железнодорожного направления, степень использования грузоподъемности вагонов, длины станционных путей и провозной способности линий. Она определяется как отношение массы состава поезда к его длине, измеряемой в метрах.

11

На железнодорожном транспорте употребляется целый ряд понятий скорости движения поездов, измеряемой, как правило, в километрах за час. В технико-экономических и разнообразных инженерных расчетах часто используется понятие ходовая скорость и соответствующее ей время хода.

Ходовая скорость на отдельных перегонах или в целом на участке определяется как частное от деления длины перегона или участка на соответствующее чистое время хода, не учитывающее время на разгон

изамедления на раздельных пунктах. Нормы ходовой скорости и перегонных времен хода определяются на основе тяговых расчетов с последующей проверкой полученного времени опытными поездками с динамометрическим вагоном.

Величина ходовой скорости зависит от мощности локомотива, массы

идлины поезда, сложности профиля пути, (как в плане, так и в профиле), а также от величины максимально допускаемой скорости. Последняя определяется конструкцией локомотивов и вагонов, состоянием устройств пути и искусственных сооружений, параметрами кривых участков пути, конструкцией и эффективностью действия тормозов. В настоящее время на железных дорогах сети максимально допускаемые уровни скорости движения по техническому состоянию вагонов установлены в грузовом движении для груженых поездов 90 км/ч, а для порожних – 100 км/ч. На величину ходовой скорости оказывают большое влияние количество и протяженность мест с постоянно действующими ограничениями скоростей, а также предельные уровни скорости.

Ввиде измерителей качества организации эксплуатационной работы железных дорог используются понятия: техническая, участковая и маршрутная скорость. В зависимости от постановки задачи эти виды скорости могут рассчитываться как для отдельного поезда, так и средние – для всех грузовых поездов, проследовавших за сутки, месяц, квартал, год.

Техническая скорость – средняя скорость движения поезда по перегонам участка с учетом потерь времени по раздельным пунктам на разгоны и замедления. Средняя техническая скорость всех грузовых поездов на участке (или любом другом подразделении железных дорог) определяется как частное от деления суммы поездо-километров на сумму поездо-часов движения без учета времени простоя поездов на промежуточных станциях, но с учетом времени разгонов и замедлений при остановках на раздельных пунктах.

Участковая скорость – средняя скорость движения поезда в пределах участка с учетом стоянок на разъездах, обгонных пунктах, промежуточных станциях и потерь времени на разгоны и замедления. Определяется как отношение суммы поездо-километров к сумме поездо-часов нахождения поездов на участке с учетом времени на разгоны, замедления и стоянки поездов на раздельных пунктах участка.

12

Маршрутная скорость, измеряемая в километрах за сутки, определяется как средняя на всем пути следования поезда от станции формирования до станции расформирования. Она, как правило, рассчитывается для отдельных категорий маршрутных поездов (ускоренных, рефрижераторных, контейнерных и др.) с учетом времени разгонов, замедлений и стоянок маршрута на промежуточных и технических станциях.

В инженерных расчетах используются также понятия: расчетная скорость на расчетном (руководящем) подъеме; скорость на рабочей части профиля пути; скорость на нерабочей части профиля.

Под расчетной скоростью понимается минимально допускаемая установившаяся скорость движения поезда с расчетной массой на расчетном подъеме. Величина этой скорости у различных локомотивов неодинакова и зависит от мощности двигателей, силы тяги по сцеплению, условий нагрева тяговых электродвигателей. Для электровозов расчетную скорость принимают по тяговым характеристикам в точке пересечения линии ограничения силы тяги по сцеплению колес с рельсами или максимальным током с одной из автоматических характеристик силы тяги двигателей (подразд. 4.2.2), а для тепловозов – по условиям работы тяговых электродвигателей в продолжительном режиме. Значения расчетных скоростей и другие параметры современных локомотивов приведены в табл. 2 и 3 приложения.

Скорость на рабочей части профиля пути определяет ту часть времени хода поезда по перегону или участку, которая приходится на движение поезда с включенными двигателями локомотива (с тягой). Величина этой скорости зависит от удельной мощности локомотива, т. е. мощности, приходящейся на единицу массы поезда, сложности профиля пути и максимально допускаемой скорости движения. От уровня скорости на рабочей части профиля пути в значительной степени зависит расход топлива или электроэнергии на тягу поездов.

Скорость на нерабочей части профиля пути определяет ту часть времени хода, которая приходится на движение с выключенными двигателями (выбег или торможение). Ее величина зависит от максимально допускаемой скорости по состоянию подвижного состава и пути. Если увеличение скорости на рабочей части профиля повышает расход энергетических ресурсов, то на нерабочей – наоборот, приводит к их уменьшению.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Каковы основные причины роста массы и скорости движения грузовых поездов на сети железных дорог России?

2.Что такое расчетная масса грузового поезда и как она определяется?

3.С какой целью устанавливается норма массы и длины грузовых поездов?

13

4.В чем заключается разница в понятиях норм массы поездов: участковая, дифференцированная, унифицированная, параллельная?

5.Что понимается под термином критическая масса поезда?

6.В каких целях рассчитывается средняя масса поезда?

7.В каких единицах измеряется длина грузовых поездов?

8.Что означает термин «условный вагон»?

9.Что означает термин «поездная погонная нагрузка» и как она рассчитывается?

10.В чем заключается разница в понятиях: ходовая, техническая, участковая и маршрутная скорость движения грузовых поездов?

11.Дайте понятия терминам «рабочая» и «нерабочая части» профиля пути и какое влияние они оказывают на скорость и расходы электроэнергии или дизельного топлива на тягу поездов?

Рекомендуемая литература [3, 4, 9, 21].

2. ИЗМЕРЕНИЕ МАССЫ, ВЕСА И ДЛИНЫ

2.1. Масса и вес как физические величины

В современной научно-технической и учебной железнодорожной литературе в качестве одной из характеристик подвижного состава и перевозимых грузов в соответствии с Международной системой единиц

(СИ) используются термины: масса поезда, масса вагона, масса груза,

масса локомотива и т. д. В то же время во многих официальных документах ОАО «РЖД», многочисленных инструкциях, графиках движения поездов, статистических отчетах, периодических изданиях, а также в оперативной эксплуатационной работе вместо термина «масса» применяется термин «вес».

Опрос группы студентов Дальневосточного государственного университета путей сообщения, а также ряда специалистов железных дорог показал, что многие из них не знают причин одновременного применения обоих понятий, не в состоянии объяснить принципиальную разницу между ними и не могут оценить возможные последствия их подмены в теории и практике работы железных дорог. В связи с вышеизложенным, автор считает необходимым дать краткие пояснения по этому вопросу. (Подробнее с системами единиц измерения студенты могут ознакомиться в учебниках физики для вузов).

Сотни лет люди использовали понятие «вес» при обмене, купле и продаже товаров. Понятия «масса» тогда не существовало, а вес тела считался неизменным. Только в XVI в. было установлено, что вес тела является переменной величиной и зависит от ряда факторов.

14

Определение понятию «масса» впервые дал И. Ньютон в своем фундаментальном труде «Математические начала натуральной философии», изданном в 1687 г. Согласно И. Ньютону масса тела характери-

зует собой количество материи, является мерой инерционных и гравитационных свойств тела и для каждого тела является величиной неизменной. В настоящее время за единицу измерения массы принят платиноиридиевый международный эталон с массой 1 кг, хранящийся в г. Севре вблизи Парижа. Эталон был изготовлен в 1883 г. Из того же сплава было выполнено еще 42 килограммовые копии, представляющие прототипы эталона, каждой из которых был присвоен номер. Прототипы под номерами 12 и 26 в 1889 г. были переданы России.

Весом тела называется сила, с которой оно воздействует на опору под действием притяжения Земли. В отличие от массы, вес тела яв-

ляется переменной величиной, зависящей от массы Земли, ее радиуса и величины центростремительной силы, воздействующей на тело вследствие суточного вращения Земли.

Известно, что сила притяжения между телом массой m, расположенным на поверхности Земли, и Землей составляет

Учитывая, что ускорение силы тяжести g на поверхности Земли составляет

вес тела может быть определен по формуле

Так как радиус Земли от экватора к полюсу уменьшается, а центростремительная сила, достигающая на экваторе максимума, на полюсе равна нулю, то ускорение силы тяжести на полюсах Земли будет больше чем на экваторе, соответственно большим будет и вес тела. Известно, что ускорение силы тяжести на полюсах равно 9,8321 м/с2, а на эква-

торе – 9,78030 м/с2.

Таким образом, как вращение Земли вокруг своей оси, так и ее эллиптическая форма вызывают односторонние изменения веса тела, т. е. каждый из этих факторов уменьшает вес тела, если его поместить в точке с более низкой географической широтой, или увеличивает вес, если тело перемещается в более высокую географическую широту.

15

При создании метрической системы мер еще не было четкого разграничения понятий массы и веса, поэтому единицу массы часто называли единицей веса. Для устранения этой путаницы III Генеральная конференция по мерам и весам в 1901 г. приняла специальные резолюции о единице массы и понятии «вес», которыми устанавливается следующее.

1.Килограмм является единицей массы и равен массе международного прототипа килограмма.

2.Термин «вес» обозначает величину того же характера, как и сила; вес тела равен произведению массы на ускорение силы тяжести, в частности нормальный вес тела равен произведению массы этого тела на нормальное ускорение силы тяжести.

3.Международная служба мер и весов принимает для нормального ускорения силы тяжести значение 9,80665 м/с2.

Нормальным называется ускорение силы тяжести в месте хранения эталона килограмма (г. Севр).

Для расчетов, не требующих высокой точности, величину нормального ускорения силы тяжести принимают равной 9,81 м/с2. Введение метрической системы мер в России было осуществлено декретом Совета народных комиссаров СССР от 14 сентября 1918 г.

Метрическая система, исходя из потребностей практики, содержала только единицы длины, массы, площади, объема и вместимости.

Дальнейшее развитие науки и техники вызвало необходимость установления единиц ряда других физических величин, в первую очередь – электрических и магнитных. В связи с этим на основе метрической системы был создан ряд подсистем.

Благодаря удобству применения в расчетах, особенно в технических, сопротивлении материалов и др., одна из подсистем получила широкое распространение во многих странах, а также в бывшем СССР. Это – так называемая техническая система единиц МКГСС, основанная на метре как на единице длины, на килограмм-силе как единице веса, секунде как единице времени. Здесь важно отметить тот факт, что в этой системе, в отличие от других, в качестве одной из основных единиц выступает не масса, а вес, измеряемый в килограмм-силах (кгс), хотя во многих случаях используются обозначения кГ или кг.

Система МКГСС более 50 лет использовалась в научных исследованиях и практике работы железных дорог России. Она была основной при изучении курса физики в средних школах, а также общетехнических и специальных дисциплин в среднетехнических и высших учебных заведениях. Ее используют и до настоящего времени многие работники железнодорожного транспорта, окончившие учебные заведения 20 и более лет тому назад.

Почти полуторавековой опыт использования метрической системы и

еемногочисленных производных привел к созданию единой системы, которая могла бы быть принята для всех областей измерений в между-

16

народном масштабе. В результате в 1954 г. была предложена Международная система единиц (СИ), охватывающая все области науки и техники. В качестве основных единиц этой системой были приняты следующие шесть: длина в метрах; масса в килограммах; время в секундах; сила тока в амперах; температура термодинамическая в градусах Кельвина; сила света в свечах. При этом первые три основные единицы используются для образования производных единиц во всех областях измерений, а каждая из трех остальных добавляется к ним для образования единиц в какой-либо специальной области.

В еще используемой на железнодорожном транспорте системе МКГСС в качестве одной из основных единиц принят вес, равный 1 кгс, а масса является производной единицей. В системе СИ, наоборот, в качестве основной единицы принята масса, равная 1 кг, а вес определяется как произведение единицы массы на ускорение силы тяжести

С 1970 г., т. е. со времени издания массовым тиражом проекта стандарта «Единицы измерения физических величин», начался поэтапный переход на единицы СИ на территории бывшего СССР. Полный переход требовал проведения большого количества мероприятий и поэтому не мог быть выполнен за короткий период времени. Необходимо было обновить нормативную техническую документацию, требовалось обучение специалистов, наибольшие проблемы возникли в связи с необходимостью перевода приборостроения на единицы СИ и замены действующих в промышленности, на транспорте и в сельском хозяйстве измерительных приборов. Поэтому в переходный период разрешалось параллельно с единицами СИ в технике измерения силы и силы тяжести (веса) применять единицу силы системы МКГСС – килограмм-силу, а также применять внесистемную единицу силы – тонно-силу, равную 1000 кгс. Полный переход на систему СИ в России (в том числе на железнодорожном транспорте) не завершен до сих пор.

Поскольку в настоящее время на железных дорогах продолжают использовать одновременно две системы единиц измерения, в одной из которых (МКГСС) в качестве основной используется вес, измеряемый в кгс или кг, а в другой системе измерения (СИ) – масса, измеряемая также в кг, то это является главной причиной путаницы и подмены этих понятий.

2.2. Весы и взвешивание

На российских железных дорогах ежесуточно выполняется большой объем операций по взвешиванию грузов, вагонов, а в ряде случаев – локомотивов. Взвешивание грузов и вагонов производится в коммерческих целях для правильного взимания провозной платы, количественного

17

учета отправляемой и получаемой продукции и сырья. Результаты взвешивания используются также для решения ряда важных технологических задач и обеспечения безопасности движения поездов.

Так, например, итоги взвешивания, записанные в перевозочных документах, переносятся в натурный лист каждого сформированного поезда, что позволяет подобрать массу поезда, соответствующую силе тяги локомотива, и, следовательно, повысить эффективность использования тяговых средств, топливно-энергетических ресурсов и локомотивных бригад. На основе данных о массе сформированного состава рассчитывается величина фактического тормозного нажатия в поезде.

Контрольное взвешивание вагонов исключает возможные случаи включения в поезда вагонов с перегрузами, угрожающими безопасности движения. Взвешивание вагонов производится также в случаях организации опытных поездок с динамометрическим вагоном с целью установления нормы массы поезда для графика движения, проверки перегонных времен хода, полученных тяговыми расчетами. Взвешивание локомотивов выполняется в целях организации тягово-энергетических (для электровозов) и тягово-теплотехнических (для тепловозов) испытаний вновь построенных локомотивов. При этом проверяют соответствие основных характеристик и параметров техническим условиям, снимают тяговые и тормозные характеристики, определяют коэффициент сцепления колес с рельсами, рассчитывают основное сопротивление движению локомотива.

Таким образом, взвешивание грузов, вагонов и локомотивов на железных дорогах выполняется в целях: коммерческих, обеспечения безопасности движения, при нормировании массы поездов для графика движения, а также контроля за выполнением установленных норм массы в ежедневной оперативной работе. Для решения этих задач требуются соответствующие технические средства с необходимой в каждом отдельном случае точностью взвешивания.

Для взвешивания на железнодорожном транспорте применяют рычажные, пружинные электромеханические (электротензометрические, частотные) и электронные весы. Принцип работы рычажных весов можно рассмотреть на примере взвешивания на равноплечных весах (рис. 2.1).

Если взвешивают на рычажных равноплечных весах, то на одну чашку весов помещают взвешиваемое тело, а на другую – накладывают гири (единицы массы) до тех пор, пока не наступит равновесие.

Тело действует на весы своим весом Р, а гири – Р1. Уравновешиваются весы, когда Р = Р1, m g m1 g1, а следовательно, m m1. Здесь

m и m1 соответственно массы тела и гирь.

Если взвешивают на неравноплечных рычажных весах, то равновесие наступает не при равенстве масс тела и гирь, а при каком-то отношении между ними. Например, при взвешивании на весах с передаточ-

ным числом i 100 , равновесие наступит, когда m m1 100.

18

P = m g P1 = m1 g1

Рис. 2.1. Взвешивание на равноплечных весах

Принципиально это ничего не меняет, так как во всех случаях сравниваются массы двух тел. Таким образом, результаты взвешиваний на равноплечных или рычажных весах не зависят от положения тел на земной поверхности и в частности от географической широты. Иначе говоря, любые рычажные весы измеряют величину массы, а не веса.

При взвешивании на весах остальных типов, например пружинных, электромеханических или электронных, массы тела и гирь сравниваются не непосредственно, а косвенным образом. Шкалы этих весов градуируют на месте их изготовления, нагружая образцовыми гирями известной массы от ноля до наибольшей. Поэтому сравнивать массу тела с массой образцовых гирь, зарегистрированной на шкале весов, можно только при том условии, когда весы калибруются и применяются в одной и той же точке земного шара, а точнее в точках, имеющих одинаковую географическую широту, следовательно, одинаковые значения ускорения свободного падения g.

Если же весы градуируют в одном месте (на широте завода изготовителя), где ускорение силы тяжести g1, а применяют в другом, где ускорение силы тяжести g2, то показания весов будут различны. Так как в месте градуировки показания весов будут A1 P/ g1, а в месте применения

– A2 P / g2 . По сути, эти весы измеряют не массу тела, а его вес. Для то-

го чтобы электромеханические (электронные) весы на месте их использования давали такие же показания, как и на месте их изготовления, градуировка (настройка) указательных приборов весов производится в месте постоянного их применения. Что же касается пружинных весов, то точность измерения, которую они обеспечивают, и сферы их применения (взвешивание массовых навалочных грузов) позволяют градуировать их только по месту изготовления, т. е. фактически не учитывать разницу ускорения силы тяжести в местах их изготовления и применения.

19

Разница в весе тела для двух точек Земли, определенная в процентах, составляет

Для полюса Земли и экватора эта разность достигает наибольшей величины, равной согласно формуле (2.4)

На сети железных дорог России самой северной является станция Печенга (севернее Мурманска) с географической широтой 69 46 , а самой южной – станция Самур, расположенная на побережье Каспийского моря с географической широтой 41 48 .Ускорение силы тяжести на широте первой станции равно 9,82537, а второй – 9,80346 м/с2. Разность в весах поездов, имеющих одинаковую массу, для этих станций достигает

А 9,82597 9,80346 100 0,22 % . 9,80346

Если принять, что вес поезда на станции Самур был равен 4000 тс или 39213,8 кН, то на станции Печенга он составит уже около 4009 тс или 39303,9 кН, что скажется (хотя и незначительно) на величине основного сопротивления движению и потребной силы тяги локомотива.

Вданном примере взят крайний случай, для которого колебания веса поезда достигают наибольшей величины из всех возможных на сети дорог России. Поскольку даже в этом случае изменение веса не превышает 0,22 %, то в практических условиях организации перевозочного процесса этот фактор нет необходимости учитывать, так как фактическая сила тяги каждого отдельного локомотива в значительно большей степени отличается от номинальных значений, приведенных в тяговых характеристиках, точно так же, как и фактические значения основного сопротивления движению по сравнению с установленными по правилам тяговых расчетов для поездной работы.

Взависимости от целей взвешивания и требуемой точности определения массы должен решаться вопрос о выборе типа весов и методов взвешивания. На железнодорожном транспорте используются: товарные (стационарные, врезные и передвижные) рычажные весы для взвешивания тарных и штучных грузов с наибольшими пределами взвешивания (НПВ 0,1; 0,2; 0,5; 0,6; 1; 2; 3; и 5), т; элеваторные бункерные (ковшовые) весы для взвешивания зерновых грузов (НПВ 5; 10 и 20), т; крановые весы (пружинные или электронные), подвешиваемые к крюку грузового крана, пред-

20