СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ ПОЕЗДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО СПОСОБА
METHOD OF REDUCING ADDITIONAL RESISTANCE TO MOVEMENT OF A TRAIN AND DEVICE FOR REALIZING SAID METHOD

Изобретение относится к высокоскоростной транспортной системе тоннельного типа и может быть использовано для снижения дополнительного сопротивления движению грузового поезда при проследовании им железнодорожных тоннелей.
Известно изобретение на способ снижения профильных сопротивлений воздуха движению транспортного средства внутри транспортопровода тоннельного и трубного типа за счет организации внешнего воздухообмена и устройство для его осуществления (Патент RU 2721024 С2, МПК В61В 13/08, В61В 13/10, опубл. 15.05.2020 бюл. №14), выбранное в качестве прототипа заявляемых способа и устройства. Способ характеризуется тем, что во внутренней полости транспортнопроводящей конструкции не создается вакуум. Для перераспределения воздуха из передней части внутренней полости транспортопровода, расположенной по ходу движения транспортного средства, в заднюю часть внутренней полости используется устройство внешнего воздухообмена. Работа элементов воздухообменных систем устройства автоматически регулируется с учетом скорости движения транспортного средства и его местоположения в транспортопроводе. Устройство для осуществления упомянутого способа содержит воздухонакопитель, по меньшей мере, один компонент воздухоотводящей системы и, по меньшей мере, один компонент воздухонагнетающей системы.
Недостатком данного известного способа является то, что его реализация требует создание герметичного транспортопровода, строительства вновь специализированной транспортной инфраструктуры, строительства специализированного или переоборудование существующего подвижного состава, что в свою очередь приводит к большим финансовым затратам и материальным ресурсам. Недостатком указанного известного устройства является постоянное потребление энергоресурсов на всем этапе перевозки для функционирования данного устройства, что приводит к дополнительным затратам энергоресурсов и к удорожанию процесса транспортировки грузов.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание способа и устройства снижения дополнительного сопротивления движению поезда, позволяющих поезду следовать по железнодорожному тоннелю без особого снижения скорости, с повышенной массой поезда, и, при этом не допустить удорожания процесса транспортировки грузов железнодорожным транспортом.
Технический результат - повышение пропускной способности железнодорожных участков и направлений, повышение экономичности процесса транспортировки грузов железнодорожным транспортом.
Теоретические исследования и накопленный опыт в работе железнодорожного транспорта, показывают, что с большими расстояниями перевозок и большими объемами грузопотоков, целесообразным является формирование грузовых поездов наибольшей массы, которая может быть надежно и безопасно перевезена локомотивом. Поэтому массу поезда определяют по расчетным параметрам локомотивов, а именно: расчетной массе локомотива и вагонов, расчетной силе тяги локомотива. Данные расчетные параметры определяются для расчетного (руководящего) подъема или участка пути. Если на расчетном (руководящем) подъеме или участке пути, имеются элементы пути или инфраструктурные сооружения, формирующие дополнительное сопротивление движению поезда, такие как: уклоны пути (подъемы или спуски), мощные воздушные потоки в тоннелях, кривые участков пути, встречный или боковой ветер, то за расчетный подъем или участок пути, принимают тот из приведенных элементов, на котором дополнительное сопротивление движению поезда получено наибольшим.
В настоящее время, особо актуальны исследования в области оптимизации воздействующих факторов на снижение массы поезда, а также снижение его скорости по железнодорожному участку или направлению, в условиях многоэлементного формирования дополнительного сопротивления движению поезда. Например, на скальных и горных участках железных дорог, имеются затяжные подъемы с наличием протяженных тоннелей, в которых периодически и в зависимости от погодных условий (силы ветра) происходит развитие дополнительных сопротивлений движению поезда.
На фиг. 1 представлена общая схема воздействия силы тяги и силы сопротивления движению поезда, при следовании его по расчетному подъему (участку пути), где присутствует элемент формирования дополнительного сопротивления движению поезда (при наличии неблагоприятных погодных условий - сильный ветер) - железнодорожный тоннель.
kr
r
d
p
На фиг. 1 отображены железнодорожный тоннель 1, опора контактной сети 2, локомотив грузового поезда 3, вагоны грузового поезда 4, контактный провод 5, контактная подвеска 6, верхнее строение пути 7, F - касательная расчетная сила тяги локомотива при расчетной скорости, i - крутизна расчетного (руководящего) подъема или участка пути, w - дополнительное сопротивление движению поезда, W - полное сопротивление движению поезда при расчетной скорости.
Для заданного локомотива наибольшая норма массы грузового поезда по силе тяги, профилю пути и наличию элементов формирования дополнительного сопротивления движению поезда, определяется по принципу равенства силы тяги и силы полного сопротивления при движении этого поезда по расчетному подъему (участку пути). На таком подъеме (участке пути) поезд достигает определенной постоянной (равновесной) скорости и следует с ней до выхода на элементы профиля меньшей крутизны или на благоприятные элементы профиля участка пути.
По этому условию (фиг. 1) устанавливается равенство сил тяги локомотива и сил сопротивления движению поезда, соответствующее расчетной скорости:
Полное сопротивление движению грузового поезда по данному расчетному (руководящему) участку пути (фиг. 1) можно выразить, как сумму сопротивлений движению локомотива и состава:
l
где M - расчетная масса локомотива;
2
g - нормальное ускорение силы тяжести, принимается равным 9,81 м/сек;
r
i - крутизна расчетного (руководящего) подъема или участка пути;
Q - масса поезда (состава) брутто, соответствующая принятым расчетной силе тяги локомотива, расчетному (руководящему) подъему или участку пути и нагрузке на ось вагона;
- основное удельное сопротивление локомотива при следовании с тягой при расчетной скорости;
- основное удельное сопротивление движению состава, соответствующее принятым к расчету структуре вагонов в составе, типу верхнего строения пути и нагрузке на ось вагона;
d
w - дополнительное удельное сопротивление движению поезду.
t
v
Дополнительное удельное сопротивление поезду в данном конкретном случае (фиг. 1) определяется, как сумма дополнительного удельного сопротивления движению поезда в тоннеле w и дополнительного удельного сопротивления движению поезда от встречного ветра w:
Дополнительное удельное сопротивление движению поезда в тоннеле, образуется за счет возрастания сопротивления воздушной среды, поезд наподобие поршня создает в тоннеле избыток давления воздуха перед собой и разрежение за последним вагоном, таким образом, образующаяся разность давлений вызывает движение воздуха вдоль тоннеля во встречном направлении, сопровождающееся трением воздуха о боковые поверхности поезда и стенки тоннеля, определяется по формуле:
s
где w - дополнительное удельное сопротивление воздушной среды при движении поезда на поверхности (вне тоннеля);
- коэффициент, учитывающий особенности движения поезда в тоннеле, величина данного коэффициента зависит таких факторов, как площадь сечения тоннеля, длина тоннеля, скорость ветра в тоннеле, длина поезда, наличие и расположение вентиляционных шахт в тоннеле, коэффициентов шероховатости стенок тоннеля и поверхности поезда.
Дополнительное удельное сопротивление движению поезда от встречного ветра, определяется по формуле:
o
где w - основное удельное сопротивление движению поезда;
- коэффициент, учитывающий дополнительное удельное сопротивление движению поезда от встречного ветра, определяется в зависимости от скорости ветра и скорости движения поезда.
Основное удельное сопротивление движению поезда, определяется, как сумма основного удельного сопротивления локомотива при следовании с тягой при расчетной скорости и основного удельного сопротивления движению состава:
Таким образом, повышение скорости следования поезда, повышение веса поезда, повышение эксплуатационной надежности локомотивов и повышение пропускной способности железнодорожных участков и направлений, возможно за счет оптимизации (снижении) дополнительного сопротивления движению поезда при проследовании им железнодорожных тоннелей.
Для решения технической задачи и достижения технического результата разработаны способ снижения дополнительного сопротивления движению поезда и устройство для осуществления этого способа.
В способе снижения дополнительного сопротивления движению поезда, включающем управление воздушными потоками, согласно изобретению, заблаговременно при следовании поезда к тоннелю со стороны расчетного участка пути с помощью пульта управления и датчиков направления и силы ветра определяют параметры воздушной среды в районе расположения тоннеля, далее выбирают на пульте управления режим работы системы управления воздушными потоками, соответствующий параметрам направления и скорости естественных ветровых потоков в районе расположения тоннеля, в результате чего происходит подача электроэнергии в электрическую магистраль от контактной сети постоянного или переменного тока, и, электрический ток от электрической магистрали поступает на блок преобразования электроэнергии, из которого электрический ток напряжением 220 В поступает на блоки подачи воздушных потоков и блоки нагнетания воздушных потоков, причем мощность работы блоков подачи воздушных потоков и блоков нагнетания воздушных потоков регулируют при помощи пульта управления на основании показаний датчиков направления и силы ветра, при этом ветровые потоки, образующиеся от движения поезда со стороны приближения поезда к тоннелю, направляются посредством ветровых отсекателей в нижний уровень устройства воздухообмена, из которого посредством блоков подачи воздушных потоков ветровые потоки направляются в верхний уровень устройства воздухообмена, а затем с помощью блока нагнетания воздушных потоков - в воздушную среду перед порталом тоннеля навстречу образовавшимся ветровым потокам от движения поезда.
В устройстве для снижения дополнительного сопротивления движению поезда, включающем устройство воздухообмена и, по меньшей мере, два блока нагнетания воздушных потоков, согласно изобретению, устройство содержит систему управления воздушными потоками, состоящую из, по меньшей мере, двух датчиков направления и силы ветра, установленных в верхних частях порталов тоннеля, и пульта управления, расположенного на рабочем месте дежурного по близлежащей к тоннелю железнодорожной станции, по меньшей мере, три ветровых отсекателя, установленные перед входом в тоннель, электрическую магистраль устройства подачи электроэнергии от контактной сети постоянного или переменного тока, включающую в себя контактную сеть, блок преобразования электроэнергии, установленный с наружной части тоннеля, при этом устройство воздухообмена разделено на нижний и верхний уровни, причем на нижнем уровне устройства воздухообмена установлены, по меньшей мере, два блока подачи воздушных потоков, а блоки нагнетания воздушных потоков расположены на верхнем уровне устройства воздухообмена. Ветровые отсекатели изготовлены в виде железобетонных конструкций в выпуклой в сторону тоннеля форме и установлены перед входом в тоннель с обеих его сторон четного и нечетного направлений на железобетонном основании в зоне верхнего строения пути до начала откоса балластной призмы. Высота первого по ходу движения поезда ветрового отсекателя составляет 1 м, второго - 3 м, третьего - 5 м. Угол установки ветровых отсекателей составляет 35-45° относительно верхнего строения пути. Электрическая магистраль устройства подачи электроэнергии имеет междублоковые соединения устройства. Нижний уровень устройства воздухообмена установлен вдоль опорных стен тоннеля, а его верхний уровень - в верхней части тоннеля.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 2 представлена общая структура расположения основных элементов устройства снижения дополнительного сопротивления движению поезда; на фиг. 3 показан принцип действия способа снижения дополнительного сопротивления движению поезда с помощью заявленного устройства.
s
t
v
Сущность способа заключается в том, что снижение дополнительного сопротивления движению поезда производят с помощью пульта управления (на фигурах не показан), заблаговременно при следовании поезда к тоннелю 1 со стороны расчетного подъема (участка пути), путем приведения в рабочее состояние датчиков направления и силы ветра 12 (фиг. 2), предназначенных для управления воздушными потоками, в результате чего происходит подача электроэнергии в электрическую магистраль 15 от контактной сети постоянного или переменного тока 5. От электрической магистрали 15 электрический ток поступает на блок преобразования электроэнергии 11, где после преобразования электрический ток напряжением 220 В поступает через междублоковые соединения электрической магистрали (на фигурах не показаны) на блоки подачи воздушных потоков 13 (фиг. 3), установленных на нижнем уровне устройства воздухообмена 9 (фиг. 2-3) и блоки нагнетания воздушных потоков 14 (фиг. 3), установленных на верхнем уровне устройств воздухообмена 10 (фиг. 2-3). При этом мощность работы блоков подачи воздушных потоков 13 и блоков нагнетания воздушных потоков 14 регулируют при помощи пульта управления (на фигурах не показан) на основании показаний датчиков направления и силы ветра 12 (фиг. 2). Система электроснабжения с подачей напряжения от блока преобразования электроэнергии 11 не зависит от рода тока в контактной сети 5, напряжение равно 220 В, для этого напряжение контактной сети постоянного и переменного тока 5 (фиг. 2-3) преобразуется блоком преобразования электроэнергии 11 до напряжения величиной 220 В. В результате со стороны приближения поезда к тоннелю 1, образующиеся ветровые потоки от движения поезда (удельное сопротивление воздушной среды при движении поезда на поверхности (вне тоннеля) w) (фиг. 1) направляются посредством ветровых отсекателей 8 (фиг. 2-3) в нижний уровень 9 устройства воздухообмена, который установлен вдоль опорных стен тоннеля 1. Воздушные потоки из нижнего уровня 9 устройства воздухообмена направляются в его верхний уровень 10, который расположен в верхней части тоннеля, при помощи блоков подачи воздушных потоков 13 (фиг. 3). Воздушные потоки, пройдя верхний уровень 10 устройства воздухообмена, при помощи блока нагнетания воздушных потоков 14 направляются в воздушную среду перед порталом тоннеля 1 навстречу образовавшимся ветровым потокам от движения поезда. При этом в качестве источника электроэнергии для электропитания блоков подачи воздушных потоков 13 и блоков нагнетания воздушных потоков 14 используют электроэнергию напряжением 220 В, преобразованную блоком преобразования электроэнергии 11, которую получают из контактной сети 5 постоянного или переменного тока. Таким образом, происходит снижение дополнительного сопротивления движению поезда в тоннеле w. Одновременно с противоположной стороны тоннеля 1 по ходу движения поезда образующиеся естественные ветровые потоки (в том числе большой скорости ветра), направляются ветровыми отсекателями 8 в нижний уровень 9 устройства воздухообмена, где при помощи блоков подачи воздушных потоков 13 они направляются в верхний уровень 10 устройства воздухообмена. Затем с помощью блоков нагнетания воздушных потоков 14 воздушные потоки направляются в воздушную среду перед порталом тоннеля 1 навстречу образовавшимся естественным ветровым потокам. Таким образом, происходит снижение дополнительного сопротивления движению поезда от встречного ветра w.
Выполнение способа может быть реализовано с помощью устройства для снижения дополнительного сопротивления движению поезда.
Устройство для снижения дополнительного сопротивления движению поезда (фиг. 2) содержит систему управления воздушными потоками, состоящую из двух датчиков направления и силы ветра 12, установленных в верхних частях порталов тоннеля 1 (с обоих его сторон), и пульта управления (на фигурах не показан), расположенного на рабочем месте дежурной по железнодорожной станции (близлежащей к тоннелю), по меньшей мере, три ветровых отсекателя 8, установленные перед входом в тоннель 1, с обеих его сторон (четного, нечетного направлений), на железобетонном основании в зоне верхнего строения пути 7 (фиг. 3) до начала откоса балластной призмы, устройство воздухообмена, состоящее из нижнего уровня 9 (фиг. 2) и верхнего уровня 10, электрическую магистраль 15 устройства подачи электроэнергии от контактной сети постоянного или переменного тока, включающую в себя контактную сеть 5, блок преобразования электроэнергии 11, установленный с наружной части тоннеля 1 (с любой из его сторон), по меньшей мере, два блока подачи воздушных потоков 13 (фиг. 3), установленные на нижнем уровне 9 устройства воздухообмена, и, по меньшей мере, два блока нагнетания воздушных потоков 14, установленные на верхнем уровне 10 устройства воздухообмена.
Нижняя часть ветровых отсекателей 8 расположена со стороны наружного рельса и в одном уровне с головкой рельса. Ветровые отсекатели 8 (фиг. 2-3) изготовлены в виде железобетонных конструкций и имеют форму, выпуклую в сторону тоннеля. При этом высота первого по ходу движения поезда ветрового отсекателя 8 составляет 1 метр, второго - 3 метра, третьего - 5 метров, а угол установки ветровых отсекателей составляет 35-45° относительно верхнего строения пути.
Нижний уровень 9 устройства воздухообмена установлен вдоль опорных стен тоннеля 1 (фиг. 2). Верхний уровень 10 устройства воздухообмена размещен в верхней части тоннеля 1.
Электрическая магистраль 15 устройства подачи электроэнергии имеет междублоковые соединения устройства (на фигурах не показаны).
Все элементы устройства входят в единую электрическую цепь снижения дополнительного сопротивления движению поезда и являются ее неотъемлемой частью.
Устройство для снижения дополнительного сопротивления движению поезда работает следующим образом.
v
v
v
Перед началом работы дежурный по железнодорожной станции (близлежащей к тоннелю) получает от поездного диспетчера план пропуска поездов по железнодорожному участку, в том числе со стороны расчетного (руководящего) подъема или участка пути, примыкающего к тоннелю. Далее дежурный по железнодорожной станции проверяет параметры воздушной среды в районе расположения тоннеля 1 (фиг. 1) при помощи системы управления воздушными потоками следующим образом: с помощью пульта управления (на фигурах не показан) дежурный приводит в рабочее состояние датчики направления и силы ветра 12 (фиг. 2), которые определяют направление и силу ветра. Убедившись, что в районе расположения тоннеля 1 преобладают встречные ветровые потоки движению запланированного поезда со стороны расчетного подъема (участка пути), а также убедившись в скорости этих ветровых потоков, дежурный по железнодорожной станции заблаговременно при подходе поезда к тоннелю 1 со стороны расчетного подъема выбирает на пульте управления режим работы системы управления воздушными потоками, который соответствует параметрам направления и скорости естественных ветровых потоков в районе расположения тоннеля 1, и приводит датчики направления и силы ветра 12 в рабочее состояние. В результате происходит подача электроэнергии от контактной сети постоянного или переменного тока 5 в электрическую магистраль 15. Далее по электрической магистрали 15 электрический ток поступает в блок преобразования электроэнергии 11, в котором происходит преобразование электроэнергии до напряжения значением 220 В. Затем электрический ток напряжением 220 В поступает через междублоковые соединения (на фигурах не показаны) электрической магистрали 15 на блоки подачи воздушных потоков 13 (фиг. 3), установленные на нижнем уровне устройства воздухообмена 9 и блоки нагнетания воздушных потоков 14, установленные на верхнем уровне устройства воздухообмена 10. Мощность функционирования блоков подачи воздушных потоков 13 и блоков нагнетания воздушных потоков 14 дежурный по железнодорожной станции регулирует с пульта управления на основании показаний датчиков направления и силы ветра 12. При этом мощность функционирования блоков 13 и 14 соответствует скорости естественных ветровых потоков в районе тоннеля 1, а ветровые потоки встречного направления w (фиг. 3), образующиеся с противоположной стороны тоннеля 1 по ходу движения поезда, при помощи ветровых отсекателей 8 и блока подачи воздушных потоков 13 направляются в нижний уровень 9 устройства воздухообмена. Далее при помощи блока подачи воздушных потоков 13 воздушные потоки из нижнего уровня 9 устройства воздухообмена направляются в его верхний уровень 10, откуда с помощью блока нагнетания воздушных потоков 14 они направляются во внешнюю среду в зоне портала тоннеля 1 со скоростью выброса воздушных потоков - не менее скорости встречного ветра w и под углом 35-45°. Данные параметры выброса воздушных потоков в естественную воздушную среду обеспечивают разряжение встречного ветра в зоне портала тоннеля 1 и направление ветровых потоков встречного ветра в зону охвата действия воздушных отсекателей 8, тем самым снижая воздействие дополнительного сопротивления движению поезда от встречного ветра w.
s
s
При приближении поезда к тоннелю 1 со стороны расчетного подъема (участка пути) воздушные потоки, образующиеся от движения на поверхности (вне тоннеля) w, направляются при помощи ветровых отсекателей 8 и блока подачи воздушных потоков 13 в нижний уровень 9 устройства воздухообмена, из которого при помощи блока подачи воздушных потоков 13 они направляются в верхний уровень 10 устройства воздухообмена, а затем с помощью блока нагнетания воздушных потоков 14 выбрасываются в атмосферу наружного воздуха, формирующегося в зоне портала тоннеля 1 со стороны движения поезда под углом 35-45° навстречу ветровым потокам, образующимся от движения поезда. Это обеспечивает разряжение встречных потоков от движения поезда в зоне портала тоннеля 1 и направляет их в зону охвата действия воздушных отсекателей 8, что снижает воздействие дополнительного сопротивления движению поезда на поверхности (вне тоннеля) w. После прохода поезда через тоннель 1, если нет дальнейшей необходимости использовать систему управления воздушными потоками в рабочем состоянии, то дежурный по железнодорожной станции с пульта управления приводит данную систему в нерабочее состояние, тем самым размыкая электрическую цепь подачи электроэнергии от контактной сети постоянного или переменного тока 5 на электрическую магистраль 15.
Предлагаемые способ и устройство для снижения дополнительного сопротивления движению поезда обеспечивают снижение дополнительных удельных сопротивлений движению поезда, образующихся от встречного ветра и при движении поезда в тоннеле. За счет этого повышается возможность рационального и надежного использования эксплуатационных характеристик локомотива, что обеспечивает повышение веса поезда, его длины и повышение пропускной способности железнодорожных направлений имеющих расчетные подъемы (участки пути).
Кроме того, конструкция предлагаемого устройства не сложна и не требует построения дополнительной транспортной инфраструктуры. Более того, как известно, электроэнергия в контактной сети дешевле в 10 раз электроэнергии, получаемой из других источников, поэтому использование электроэнергии из контактной сети для функционирования устройства делает ее применение экономически целесообразным, и, при этом создает предпосылки для не удорожания процесса транспортировки грузов железнодорожным транспортом.
Таким образом, применение описанных способа и устройства обеспечит:
- снижение дополнительных сопротивлений движению поезда, образующихся от встречного ветра и движении в тоннеле;
- увеличение эксплуатационной надежности локомотива;
- увеличение эксплуатационных характеристик локомотива при движении на расчетных подъемах (участках пути), примыкающих к тоннелям;
- повышение веса поезда и длины состава;
- повышение участковой скорости движения грузовых поездов по поездным участкам, имеющим расчетные подъемы (участки пути) примыкающие к тоннелям;
- повышение пропускной способности направлений железных дорог, имеющих на своем протяжении расчетные подъемы (участки пути) с тоннелями.