The system of rate setting and accounting of electric power consumption is of greatimportance for power saving in electric train traction. But the author argues that this system should be supplemented with method of calculation and statistic estimation of power losses caused by fixed speed limits.Система нормирования и учета энергозатрат оказывает существенное влияние на энергосбережение в тяге поездов, но эту систему необходимо дополнить методикой расчета и статистической оценки потерь энергии и времени из-за ограничений скорости

S. S. Borisenkov

С. С. Борисенков

World of Transport and Transportation Journal (E-Journal - Moscow State University of Railway Engineering, MIIT) / Мир транспорта

•МИР ТРАНСПОРТА 01’12УДК 621.314.02Расчет потерь энергии при ограничении скоростиС тратегия развития железнодорож-ного транспорта до 2030 года пред-усматривает поступательное раз-витие скоростного движения пассажир-ских поездов на основных магистралях России. Например, в январе 2011 года объявлено, что к предстоящему чемпио-нату мира по футболу в 2018 году будут соединены реконструированными и мо-дернизированными скоростными маги-стралями 16 самых крупных городов России, принимающих у себя этот чемпи-онат. Кроме того, обещано построить более 2 тысяч километров новых железных дорог, рассчитанных на максимальную скорость движения пассажирских поездов до 200 км/ч.Для скоростных поездов могут быть ис-пользованы как новые мотор-вагонные электропоезда «Сапсан», так и традицион-ный подвижной состав ОАО «РЖД» – вось-миосные электровозы серии ЧС и прицеп-ные вагоны, позволяющие формировать пассажирские поезда дальнего следования с ходовой скоростью до 160 км/ч. Указан-ные технические решения требуют поста-новки ряда задач по обеспечению безопас-ности движения, снижению износа пути и подвижного состава, улучшению дина-Борисенков Сергей Сергеевич – аспирант Мо-сковского государственного университета путей сообщения (МИИТ).Сергей БОРИСЕНКОВ sergey s. BoRIsenKoV Система нормирования и учета энергозатрат оказывает существенное влияние на энергосбережение в тяге поездов, но эту систему необходимо дополнить методикой расчета и статистической оценки потерь энергии и времени из-за ограничений скорости.Ключевые слова: пассажирский поезд, скоростное движение, ограничения скорости, потери времени и энергии, безопасность, энергосбережение.НАУКА И ТЕХНИКА73•МИР ТРАНСПОРТА 01’12мики их взаимодействия, в том числе по энергосбережению.Расход энергии на тягу поездов являет-ся одной из самых важных составляющих себестоимости в эксплуатации скоростных поездов. Поэтому в предлагаемой статье рассмотрен аспект этой проблемы, имею-щий особое значение для модернизируе-мых линий, где вынужденно сохраняется значительное число ограничений скорости, переездов, негабаритных мест, общедо-ступных и служебных переходов людей через пути и так далее.Существенным фактором, отрицатель-но влияющим на расход энергии в тяге поездов, остаются ограничения скорости (постоянные и временные). Особенно зна-чительно их неблагоприятное влияние в скоростном пассажирском движении, обычно реализуемом на электрической тяге. При нормировании энергозатрат на поездку электровоза с поездом в преде-лах тягового плеча или поездо-участка, т. е. при расчете технологической нормы энер-гозатрат, учитывают достаточно много факторов [1]. Но отсутствует приемлемая для практики методика учета потерь вре-мени и энергии из-за неблагоприятного влияния объективно существующих огра-ничений технической скорости.Поскольку действующая в ОАО «РЖД» система нормирования и учета энергоза-трат [2] призвана быть серьезным рычагом влияния на энергосбережение в тяге по-ездов и соответственно на железнодорож-ном транспорте в целом, то эту систему необходимо дополнить методикой расчета и статистической оценки потерь энергии из-за ограничений скорости. Это особенно нужно для скоростных поездов, реализую-щих на Московской железной дороге мак-симальные ходовые скорости 140-160 км/ч.Искомый результат может быть в каж-дом отдельном случае получен классиче-ским методом тягового расчета [3], но для практики нормирования важно предста-вить потери времени ΔT и энергии ΔV в виде универсальных номограмм, допуска-ющих варьирование возможно большего числа исходных параметров, связанных с движением поезда в зоне ограничения скорости.Обобщенная диаграмма ( )V S  скорости в функции пути присутствует на рис. 1. Если бы ограничение 0V  в точке 0S  отсут-ствовало, то поезд двигался бы в этой зоне с постоянной ходовой скоростью xV , как показано штриховой линией HK. Но при наличии точечного ограничения 0 0( )V S  необходимо заблаговременно в точке H начать торможение поезда, чтобы с запасом / 2D , равным половине длины поезда D, т. е. в точке 0S , поезд уже имел фактиче-скую скорость 0V .Указанный запас должен исключить возможность прохода любой частью поезда точки ограничения 0S  со скоростью, пре-вышающей 0V . На основе анализа скоро-стемерных лент на тяговом плече Мо-сква – Вязьма (электровозы ЧС7, состав-Рис. 1. Диаграмма прохода скоростным поездом ограничения скорости  0 0( )V S .0V0SxVVSH2D′0S″0S23DTt 0t рtKHS KSHKSрSТS0рЭНKЭТЭ 0ЭЭлектрическое торможениеРазгон74•МИР ТРАНСПОРТА 01’12ность поезда М=7-22 вагонов), а также с учетом экспертных оценок машинистов классов 1-2, которые водят скоростные поезда с электровозами ЧС7, можно сде-лать вывод, что рассматриваемый запас должен быть равен половине длины поезда D, причем длина его: л вD l Ml= + ,    (1)где lл, lв – длина по осям автосцепок соот-ветственно локомотива и каждого вагона.При проходе ограничения 0 0( )V S  эта скорость должна поддерживаться, пока весь поезд не пройдет точку 0S . Кроме того, обычно принимают запас / 2D . Та-ким образом, точечное ограничение пре-вращается в протяженное, начало которо-го находится в точке 0 0 2DS′ = −S , а конец в точке:0 00322DS D″ ′= + = +S S .  (2)Потери времени из-за ограничения 0 0( )V S  вычисляют по формуле:0( ) /T p HK xT t t t S V∆ = + + − ,  (3)где  Tt  – время торможения поезда от ско-рости xV  до 0V  на интервале 0нS S′÷ ;0t  – время прохода ограничения скоро-сти ( 0 x2 /t D V= ) на интервале 0 0S S′ ″÷ ;Таблица 1Категория по-ездаСкорость, км/ч Количество плановых оста-новокКоличество ограничений скоростиПотери элек-троэнергии,%Техническая УчастковаяВысокоско-ростной107 107 0 11 9Скорый 68 72 1 7 8Пассажирский 65 70 3 7 6,50,61,01,40,81,51,91,11,82,600,511,522,537 15∆T, мина)22 M, вагоновАBC2,78,728,815,549,769,750,299,1162,70204060801001201401601807 15∆Э, кВт*чб)22 M, вагоновАBCРис. 2. Потери времени Δ T (а) и энергии Δ Y (б) при проходе поездом точечного ограничения V0 = 60 км/ч в функции числа вагонов M в составе поезда для вариантов ходовой скорости А=120 км/ч, В=140 км/ч, С=160 км/ч.75•МИР ТРАНСПОРТА 01’12tp – время разгона поезда от скорости 0V  до xV  на интервале 0 кS S″ ÷ ;НКS  – расстояние между точками H и К.Величины Tt  и pt  определяют путем тягового расчета кривых замедления и раз-гона поезда. Замедление для скоростных поездов желательно реализовать при по-мощи электрического тормоза в макси-мально интенсивном режиме. Основной парк электровозов ЧС имеет для этих целей электродинамический тормоз с плавным автоматическим регулированием, незави-симый от контактной сети [4].Аналогичным образом потери энергии определяют по формуле:0( )р HKЭ Э Э Э∆ = + − ,   (4)где Э0 – энергозатраты при проезде огра-ничения скорости V0  (расстояние 2D);Эр – энергозатраты при разгоне поезда после проезда ограничения от скорости V0 до Vx;ЭНК– энергозатраты на участке НК при проезде его со скоростью xV , то есть при отсутствии ограничения скорости V0(S0).На базе известных методов оптимиза-ции [5] нетрудно показать, что при задан-ных значениях xV  и 0V  потери ΔT  и ΔЭ будут минимальны при условии, если торможение реализовать с максимально возможным замедлением, а разгон – в наи-более интенсивном режиме, т. е. с макси-мально возможным ускорением.В качестве примера рассмотренной методики выполнен расчет потерь времени ΔT  (рис. 2 а) и энергии ΔЭ (рис. 2 б) для электровоза ЧС7 [6] при движении на пря-мом горизонтальном участке пути с наи-более типичным ограничением скорости 0 60=V  км/ч. Приняты вариации ходовой скорости x 120,140,160=V  км/ч и состав-ности пассажирского поезда 7,15, 22=M  вагона. Для удобства практического ис-05010015020025030035040060 80 100 120 140 160 Vx, км/ч∆Э, кВт*чб)M=22M=15M=70,00,51,01,52,02,53,03,54,060 80 100 120 140 160∆T, мина)Vx, км/чM=22M=7M=15Рис. 3. Потери времени Δ Y (а) и энергии Δ Y  (б) при проходе поездом точечного ограничения скорости V0 = 60  км/ч в функции ходовой скорости  на подходе к ограничению.76•МИР ТРАНСПОРТА 01’12пользования полученных результатов при нормировании энергозатрат на поездку графики рис. 2 целесообразно построить в функции xV  (рис. 3).Задержка ΔT поезда, вызванная огра-ничением скорости V0(S0), должна быть скомпенсирована повышением его ско-рости на других участках, что в практике поездной работы обозначается термином «нагон». Нагон обычно позволяет ском-пенсировать потерю времени ΔT, но при этом к потерям энергии из-за ограниче-ния V0(S0) добавляются потери на нагон ΔЭн, так что суммарные потери нужно оценить по формуле:нЭ Э ЭΣ∆ = ∆ + ∆ .   (5)Потери на нагон являются сложной функцией ΔT и Vx. Их величина опреде-ляется тем, что нужно повысить ходовую скорость поезда на величину x 0∆ >V . При этом возрастает основное сопро-тивление движению поезда и соответ-ственно необходимо учитывать ΔЭн >0. Предварительные расчеты и экспертные оценки показывают, что ΔЭн ≅ ΔЭ, т. е. суммарные потери в формуле [4] должны быть удвоены по сравнению с непосред-ственными потерями ΔЭ от ограничения 0 0( )V S .Стратегия модернизации железнодо-рожного транспорта в наиболее развитых странах мира характеризуется устойчи-вой тенденцией к повышению скорости. Особенно четко это проявляется в пас-сажирском сообщении. В качестве при-мера в таблице 1 приведены данные по одному из скоростных направлений Московской железной дороги (Мо-сква – Вязьма) для всех категорий пас-сажирских поездов; по каждой категории указаны потери электроэнергии из-за ограничений скорости.Техническая политика руководства же-лезных дорог России при развитии ско-ростного движения в перспективе должна быть направлена на следующие кардиналь-ные задачи:– рост маршрутной скорости движения пассажирских поездов, что должно способ-ствовать повышению конкурентоспособ-ности ОАО «РЖД» по отношению к авиации и междугородным автобусным маршрутам;– снижение себестоимости перевозоч-ного процесса в дальнем пассажирском сообщении и соответственно снижение или, по крайней мере, стабилизация тари-фов и стоимости билетов;– постепенная ликвидация ограниче-ний скорости при учете: а) действующего ущерба (рассмотренные выше потери энергии и времени хода поезда); б) ком-мерческой выгоды от потенциального со-кращения времени нахождения пассажира в пути, т. е. от момента отправления поезда до момента его прибытия на станцию на-значения.ЛИТЕРАТУРА1. Явриянц К. В. Возможность снижения топлив-но-энергетических затрат на тягу поездов//Железно-дорожный транспорт. – 2011.– № 2.2. Инструкция ЦТД-26, ОАО «РЖД», 2005.3. Осипов С.  Н.,  Осипов С.  С.,  Феокти-стов В. П. Теория электрической тяги.– М., 2006.4. Правила тяговых расчетов. – М., 1985.5. Ерофеев Е. В. Принципы построения систем автоведения поездов метрополитена и пассажирских поездов при электрической тяге/Дис… док. техн. на-ук.– М., 1985.6. Иньков Ю. М., Жуликов В. Н., Козлов Л. Г. Электроподвижной состав с электрическим тормо-жением. – М., 2008.  •CoMPUtAtIon of PoWeR Losses DUe to sPeeD RestRICtIonsBorisenkov, Sergey S. – Ph. D. student of Moscow State University of Railway Engineering (MIIT).The system of rate setting and accounting of electric power consumption is of great importance for power saving in electric train traction. But the author argues that this system should be supplemented with method of calculation and statistic estimation of power losses caused by fixed speed limits.Key words: passenger train, rapid traffic, speed limits, time and power losses, safety, power saving.Координаты автора (contact information): Борисенков С. С. – Sergei_Borisenkov@mail.ru.

РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ПРИ ОГРАНИЧЕНИИ СКОРОСТИ

https://mirtr.elpub.ru/jour/article/download/596/945

РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ПРИ ОГРАНИЧЕНИИ СКОРОСТИ

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

World of Transport and Transportation Journal (E-Journal - Moscow State University of Railway Engineering, MIIT) / Мир транспорта