CC BY
75
Современные технологии - транспорту
5
^ СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ
УДК 621.311
А. Т. Бурков, М. М. Мирсаитов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ ПРИ ВЫБОРЕ МАКСИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ПАССАЖИРСКИХ СОСТАВОВ
Приведены особенности методики определения электропотребления при выборе максимальной скорости пассажирских составов, за счет чего можно влиять на удельное потребление электроэнергии, на экономическую целесообразность, обусловленную сокращением времени нахождения пассажиров в пути, что в свою очередь увеличит занятость населения.
Рассмотрены факторы, влияющие на расход электроэнергии при повышении скорости движения. Затронуты проблемы усиления устройств электроснабжения высокоскоростных линий и увеличения аэродинамического сопротивления при скорости движения выше 200 км/ч.
удельный расход электроэнергии, электропотребление, удельное сопротивление движению, тяговое усилие, энергоемкость.
Введение
Для железных дорог со скоростью движения до 160 км/ч характер электротяговой нагрузки подчиняется закону нормального (Гауссова) распределения. Устройства электротяговой сети выбирают исходя из максимальных значений токовых нагрузок во время движения поездов по графику.
Для скоростей движения 160 и выше км/ч эмпирические зависимости основного сопротивления движению имеют более сложную форму. При этом существенное значение имеет аэродинамическое сопротивление движению. Непосредственно перед лобовой поверхностью головной единицы поезда создается зона повышенного давления. Воздух из этой зоны обтекает движущийся поезд вдоль боковых поверхностей. Завихрения воздуха образуются в промежутках между вагонами,
в подвагонном пространстве, за токоприемниками и другим крышевым оборудованием. За последним вагоном (локомотивом в случае его нахождения в хвосте поезда) создается зона пониженного давления, и туда устремляется воздух, образуя завихрения.
Однако для высокоскоростных железных дорог и железных дорог с интенсивным движением и повышенной пропускной способностью характер электротяговой нагрузки имеет иной вид. Для таких линий характерна импульсная нагрузка, при этом возрастают пиковые нагрузки на тяговые подстанции, увеличиваются потери напряжения и энергии в устройствах тягового электроснабжения, усложняются условия токосъема и повышается нагревание проводов контактной сети.
Расход энергии на перемещение поезда лучше всего определять по показателю удельного электропотребления - потреблению энергии в
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2015/1
6
Современные технологии - транспорту
ватт-часах на тонну массы поезда и километр пройденного пути.
Энергоемкость движущихся колесных пар электроподвижного состава определяется затратами энергии на ускорение поезда, преодоление уклона пути и сопротивление движению поезда [1].
В статье приведен пример расчета полной энергоемкости в кВт-ч на измеритель перевозочной работы на межподстанционной зоне «Акалтын - Янгиер» скоростного участка узбекских железных дорог «Ташкент - Самарканд».
1 Основные допущения.
Постановка задачи
Для расчета были приняты следующие условия и допущения:
• на тяговой подстанции Янгиер работает один тяговый трансформатор;
• коэффициент вращающихся масс у = = 0,17;
• участок имеет нулевой уклон (i = 0);
• равномерное ускорение и динамическое торможение между собой равны (а = в).
Тяговые подстанции Акалтын и Янгиер имеют питающее напряжение 110 кВ.
Для анализа методики определения электропотребления рассмотрим примеры движения электропоезда Afrasyob (Talgo-250) со скоростью 120, 200 и 250 км/ч, для которых рас-
читано сопротивление движению. Для каждой скорости заданы соответствующие значения ускорения (табл. 1).
Электропоезд массой 324 т следует по меж-подстанционной зоне «Акалтын - Янгиер» протяженностью 39,2 км.
На основе формы кривой зависимости скорости от времени движения поезда строим ее аппроксимацию (рис. 1) для упрощения вычислений, используя методику замены ее трапециевидной кривой с варьирующими значениями таких факторов, как равномерное ускорение и динамическое сопротивление (рис. 2) [1].
Интегрирование зависимости скорости от времени позволяет определить расстояние, пройденное за время t. Численно это расстояние равно проекции кривой скорости. S - расстояние от А до Д, км; Т - время движения на заданном участке пути, с; V - установившаяся скорость аппроксимированной кривой движения, км/ч; а, в - ускорение и замедление, соответственно, км/ч/с.
Площадь трапеции, ограниченной кривой, определяется формулой
V Г v v VI
2T -
7200 ^ а в )
В уравнении (1) переменными являются S, V , T, а, в- Задаваясь четырьмя из них, можно определить неизвестную пятую величину [2].
ТАБЛИЦА 1. Исходные данные
Показатель Значение
Масса поезда m , т 324
Скорость движения Vm, км/ч 120 200 250
Сопротивление движению W0, Н/кН 3,8 7,51 10,66
Ускорение/торможение а = в, км/ч/с 1,5 1,5 1,5
3 3 3
5 5 5
2015/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту 7
Установившаяся
Рис. 1. Кривая зависимости скорости от времени (сплошная линия) и ее аппроксимация (пунктир)
Рис. 2. Аппроксимированная кривая движения скоростного электропоезда
2 Определение времени нахождения электропоезда в пути
значениях ускорения приведены в табл. 2. Например, при Vm = 120 км/ч, а = в = 1,5 км/ч/с
Из уравнения (1) определено время движения на этом участке пути:
T =
7200 — +
V
V Vm
а
2
c.
(2)
Время прохода по заданному перегону для скоростей 120, 200 и 250 км/ч при различных
T =
39 2
7200 +
120
120 120
1,5 1,5
V У
У
2
20,93 мин.
По результатам расчетов построим трехмерный график (рис. 3).
Известно, что время в пути сокращается за счет увеличения скорости. При скорости
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2015/1
8
Современные технологии - транспорту
ТАБЛИЦА 2. Расчетные данные значения времени хода ЭПС в пути
Ускорение и замедление движения поезда, a = в, км/ч/с Время хода на участке, Т, мин.
При V = 120 км/ч г m При V = 200 км/ч При V = 250 км/ч
1,5 20,93 13,98 12,18
3,0 20,27 12,87 10,8
5,0 20 12,43 10,24
Рис. 3. Зависимость времени хода электропоезда Afrosiyob (Talgo-250) от скорости движения при заданных значениях ускорения и замедления
движения на заданном участке менее 200 км/ч отмечается слабая зависимость времени движения поезда от времени пуска, разгона и торможения. Для скоростей выше 200 км/ч при
движении проезда по заданному перегону в расчете времени движения поезда необходимо учитывать время пуска, разгона и торможения.
2015/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
9
3 Полная энергоемкость движущих осей
По значению времени хода электропоезда определена полная энергоемкость движущих осей [2], расчетные данные для анализа показаны в табл. 3.
Ет _ [10,72Vm • me + 2,73mn х
f
V
2 Л
VT -1000 —m
в
v
К + 01 -10-6, кВт•ч, (3)
где me - приведенная (эффективная) масса поезда, кг:
4 Удельное электропотребление
По значению полной энергоемкости движущих осей определена
• удельная энергоемкость [2]:
ет _
Ет -10-4 тп • S
104[10,72Vm2 -me +
тп •S
+2,73mn • LT (ю0 + i)]10 6 квт.ч тпп •S
(5)
... При V = 120 км/ч, a = в = 1,5 км/ч/с
me _ mn (1 + у); (4) m
me _ 324 • (1 + 0,17) = 379,08 кг.
При Vm = 120 км/ч, a = в = 1,5 км/ч/с полная энергоемкость составляет
ET _ [10,72 • 1202 • 379,08 + 2,73 • 324 х
200 • 20,93 4000 -
1202 Л T5 у
= 2271,47;
3,8] •Ю-6 =
по данным полной энергоемкости для заданного участка при различных скоростях (табл. 3) построен трехмерный график полной энергоемкости (рис. 4).
Из приведенных данных следует, что при увеличении скорости Vm полная энергоемкость движущих осей возрастает примерно пропорционально квадрату скорости движения.
104[10,72 • 1202 • 379,08 + 2,73 • 324х
eT _----------------------------------
т 324 • 39,2
1202
х(200 • 20,93 • 1000-—) • 3,8] • 10-6
____________________!,5_____________
324 • 39,2 “
= 143,01 кВт-ч;
• удельное электропотребление
e
e _— кВт-ч/10 4 т-км, (6)
П
где п - КПД тягового электропривода Э, п = = 0,91.
При Vm = 120 км/ч, a = в = 1,5 км/ч/с 143 01
e _----— _ 136,47 кВт-ч/104 т-км,
0,91
ТАБЛИЦА 3. Расчетные данные полной энергоемкости движущих осей
Ускорение и замедление движения поезда, a = в, км/ч/с Полная энергоемкость движущих осей, Ет, кВтч
При V = 120 км/ч г m При V = 200 км/ч При V = 250 км/ч
1,5 2271,47 2586,85 2839,49
3,0 2205,19 2414,9 2586,94
5,0 2178,68 2346,11 2485,91
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2015/1
10
Современные технологии - транспорту
Рис. 4. Зависимость полной энергоемкости движущих осей электропоезда от значений ускорения, торможения и скорости движения V
или
e = 15,72 Вт-ч/т-км.
По данным удельного электропотребления для заданного участка при различных скоро-
стях (табл. 4) построен трехмерный график (рис. 5).
По графику видно, что при увеличении скорости движения от 120 до 250 км/ч значение удельного электропотребления увеличивается в 3 раза.
2015/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
ТАБЛИЦА 4. Расчетные данные удельного электропотребления
Ускорение и замедление движения поезда, а = в, км/ч/с Удельное электропотребление, е, Втч/ткм
При V = 120 км/ч г m При V = 200 км/ч При V = 250 км/ч
1,5 15 29,83 40,88
3,0 15,7 33,25 47,37
5,0 16,01 34,91 50,8
12
Современные технологии - транспорту
Заключение
Увеличение максимальной скорости движения влечет за собой необходимость улучшения инфраструктуры путевого хозяйства и электроснабжения, а также сопровождается увеличением удельного расхода электроэнергии, что в свою очередь ведет к возрастанию энергетической составляющей себестоимости перевозок.
В результате многофакторного эксперимента на расчетной модели определено удельное электропотребление для поездов со скоростью до 250 км/ч в условиях различной максимальной скорости движения на заданном участке.
Установлено, что удельный расход электроэнергии увеличивается при возрастании скорости вследствие увеличения аэродинамического сопротивления движению. Для горизонтального участка при ускорении ЭПС а = 5 км/ч/с и скорости 250 км/ч удельное электропотребление более чем в 3 раза превышает этот показатель на скорости 120 км/ч, что
составляет 50,8 Вт-ч/т-км и 16,01 Вт-ч/т-км, соответственно.
Решение о применении скоростного и высокоскоростного движения на конкретной пассажирской линии следует принимать с учетом организации движения и тяговой мощности установленного электропривода на ЭПС по критерию минимума удельного электропотребления при заданном времени движения между пунктами остановки поезда.
Библиографический список
1. Режимы движения и особенности тяговых расчетов при определении нагрузок на устройства электроснабжения высокоскоростных линий / А. Т Бурков, С. А. Бурков, М. А. Шарпилова // Эл-транс-2011. - СПб. : Петербург. гос. ун-т путей сообщения, 2013. - 584 с.
2. Основные принципы устройства электроприводов / Г. К. Дюбей. - 2-е изд. - М. : Техносфера, 2009. - 478 с.
УДК 656.043.1 С. А. Вырков
Научно-исследовательский центр проблем управления на железнодорожном транспорте Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I
КЛАССИФИКАЦИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ ПРОИСШЕСТВИЙ ПО КРИТЕРИЮ МАТЕРИАЛЬНОГО УЩЕРБА
Рассматривается вопрос о классификации нарушений безопасности движения на железнодорожном транспорте по критерию тяжести последствий, выраженной в денежном эквиваленте. Приводится обоснование целесообразности перехода на такой вид классификации, представлена методика определения финансовых границ между группами нарушений, основанная на кластерном анализе, проанализирована устойчивость финансовой границы при разбиении всех видов нарушений на два кластера.
классификация транспортных происшествий, кластерный анализ, критерий оптимального разбиения, межгрупповой среднеквадратический разброс, внутригрупповой среднеквадратический разброс, несмещенная оценка дисперсии.
2015/1
Proceedings of Petersburg Transport University
