Оптимизация ходовой скорости и графика движения грузовых поездов

4.2 Оптимизация ходовой скорости и графика движения грузовых поездов

Целью оптимизации средней ходовой скорости движения является сокращение эксплуатационных расходов, а при необходимости и общих затрат с учетом приведенных капиталовложений в подвижной состав (вагоны и локомотивы).

Энергетические затраты уменьшаются при сокращении количества остановок грузовых поездов на промежуточных станциях участка и сокращении продолжительности их стоянок на остановках, а также при снижении, в известных пределах (которые будут определены ниже), технической скорости движения. Достигается все это за счет рациональной прокладки основного ядра грузовых поездов на графике, обеспечивающем на участке пропуск заданных среднесуточных размеров движения сквозных поездов с более-менее равномерным распределением и во времени суток. Кроме поездов основного ядра на графике, целесообразно предусматривать и дополнительные поезда на случай увеличения поездопотоков в отдельные дни из-за неравномерности движения. Это является еще более целесообразным в условиях неполного использования имеющихся наличных пропускных способностей железнодорожных линий. При этом дополнительные грузовые поезда на графике не должны ухудшать оптимальные условия пропуска грузовых поездов основного ядра и обеспечивать подвязку локомотивов и локомотивных бригад по обороту.

Условия пропуска некоторых из дополнительных поездов в этих случаях могут быть несколько хуже (с экономической точки зрения) по сравнению с поездами основного ядра. Однако при сравнительно небольших среднесуточных поездопотоках основного ядра и, следовательно, больших интервалах между ними, иногда может оказаться выгодным пропуск готового поезда по участку раньше времени, предусмотренного графиком основного ядра, не говоря уже о вынужденной необходимости при увеличении поездопотока в отдельные периоды.

Под рациональной прокладкой основного ядра грузовых поездов на графике понимается минимальное количество остановок поездов на промежуточных станциях участка с минимальной продолжительностью их стоянок, а также наиболее выгодное по энергетическим затратам место (станция) остановок грузовых поездов для скрещений и обгонов с учетом профиля подходов к этим станциям. Оптимальным должно быть и время на замедление при остановках поезда, обеспечивающее снижение скорости движения до определенного уровня за счет выбега (без тяги локомотива).

В соответствии с «Правилами тяговых расчетов для поездной работы» расход электроэнергии на движение по участку в режиме тяги определяется на основе соответствующих зависимостей тока и времени хода (от пути) по перегонам путем суммирования расхода электроэнергии по отдельным элементам пути (шагам интегрирования).

Расход электроэнергии на собственные нужды электровозов (на вспомогательные машины, отопление и освещение) определяют исходя из средней потребляемой для этих целей суммарной мощности и полного времени работы электровозов.

За полное время работы электровозов принимается суммарное время движения и стоянок под напряжением на участке. Расход электроэнергии на отопление учитывают дополнительно, исходя из полного времени работы электровозов в отопительном сезоне и средней потребляемой электроэнергии 0,07 - 0,14 кВт-ч/мин на один электровоз.

Так, например, часовой расход электроэнергии на собственные нужды электровозами ВЛ80^т и ВЛ80^с составляет

А=5,5*60=330 кВт · ч.,

а в отопительный сезон -

А = (5,5 + 0,1) * 60 = 336 кВт · ч.

Таким образом, расход электроэнергии электровозами в поездной работе определяется раздельно на чистое движение по участку только в режиме тяги и на собственные нужды электровозов. Причем в последнем случае расход электроэнергии пропорционален только полному времени работы электровоза на участке, и норматив этот не зависит от скорости движения поезда.

Общий же расход топлива тепловозом на перемещение поезда определяют как сумму расходов топлива за отрезки времени, соответствующие постоянному расходу топлива и средней постоянной скорости движения в режиме тяги, и расхода топлива за время движения с поездом на холостом ходу, иначе говоря, без тяги локомотива. Расход топлива на стоянках и при передвижениях тепловоза по станционным и деповским путям определяется по кривым расхода топлива на холостом ходу.

Так, например, расход топлива на холостую работу дизелей тепловозами 2ТЭ10, 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В составляет

Gx = 0,76*60 = 45,6 кг.

Следовательно, расход топлива тепловозами определяется раздельно на передвижение поезда и на стоянках. Причем в нормативы расхода топлива на передвижение поезда в режиме тяги включен и расход топлива на так называемые собственные нужды тепловоза. Таким образом, расход топлива на собственные нужды не отделен от затрат топлива для тяги на передвижение поезда, зависящих только от механической работы локомотива, в то время как расход топлива на собственные нужды локомотива пропорционален только полному времени работы тепловоза, включая и работу в режиме тяги. Этот норматив пропорциональности практически не зависит от использования мощности тепловоза, хотя практически подтвердить это может быть и сложно. Поэтому для нахождения оптимальной ходовой скорости движения (по минимуму расхода топлива) необходимо учитывать отдельно расход топлива только на передвижение поезда (по механической работе локомотива) и на собственные нужды (по общему времени нахождения поезда в пути).

Механическая работа локомотива Rмех.л, т*км, на передвижение поезда по площадке, зависящая от скорости движения поезда, определяется следующим образом:

Rмех.л =(Qбр w”_o+.p_Л w’_o) L/(1000*9.8)(4.1)

где Qбр, Рл- соответственно масса состава поезда брутто и локомотива,

w”_o, w’_o - основное удельное сопротивление движению соответственно состава поезда и локомотива, Н/т; L - расстояние передвижения по площадке, км.

При четырехосных груженых вагонах на роликовых подшипниках при нагрузке от оси на рельсы q_О>6 т основное удельное сопротивление на бесстыковом пути зависит от скорости движения следующим образом:

w"_О = 9,81[0,7 +(3 +0,09v +0,002 v²)/q_O,(4.2)

где V- ходовая скорость движения поезда, км/ч.

Основное удельное сопротивление локомотивов (электровозов и тепловозов) в тех же условиях

w'_О = 9,81[1,9 + 0,008 v + 0,00025 v²](4.3)

Механическая работа локомотива, связанная с преодолением подъемов и сопротивления от кривых (R\ мех.),

R_iмех =(Q_бр + Рл)i_kL_i /(1000*9.81)(4.4)

где i_k - величина дополнительного удельного сопротивления движению от приведенного уклона (от уклона и кривой), Н/т; L_i, - длина пути с удельным сопротивлением i_k, км.

Поскольку механическая работа локомотива на преодоление сопротивления движению от приведенного уклона (формула (4.4)) не зависит от скорости движения, то ее в данном исследовании можно не учитывать.

При существующих КПД тепловозов расход топлива g_n на 1 т. км механической работы локомотива составляет 0,80 - 0,85 кг. В данном исследовании принимается g_n = 0,85 кг/т. км.

Исходя из формул (1) - (3) общая зависимость расхода топлива в кг на 1 км передвижения поезда по площадке на бесстыковом пути (Gn) может быть выражена следующим образом:

Gn = g_n{Q_бр [9.81*(0,7+(3+0,09v+0,002 v²)/q _O+р_Л (1,9 + 0,008v++0,00025 v²)} /(1000*9 81).(4.5)

Результаты расчетов расхода топлива по формуле (4.5) на 1 км пути при массе состава поезда Q_бр=4000 т и массе локомотива р_Л = 258 т (2ТЭ10Л) и g_O = 16 т для различных скоростей движения поезда приведены в строке 1 таблицы 1, и по ним на рисунке 1 построена кривая 1 зависимости расхода топлива для тяги от скорости движения.

Если ориентироваться при этом только на затраты топлива на механическую работу, то можно заметить, что оптимальной скорости движения поезда не существует (чем ниже скорость движения, тем меньше механическая работа и меньше расход топлива) (рисунок 4.1, кривая 1).

Однако расход топлива на собственные нужды тепловоза в расчете на 1 поездо-км имеет обратную зависимость

q_c =G_X/v(4.6)

Результаты расчетов по формуле (4.б) расхода топлива на собственные нужды на 1 поездо*км в зависимости от скорости движения поезда приведены в строке 2, а общего расхода топлива - в строке 3 таблицы 4.4 На основании этих данных на рисунке 4.1 построены соответственно кривые 2 и 3.

Таблица 4.4 Затраты дизельного топлива (кг/поездо*км) на передвижение при различных скоростях

Рисунок 4.1-Кривые зависимости расхода топлива от скорости движения поезда.

По данным таблицы 4.4 и суммарной кривой «Всего» уже видно, что оптимальная скорость движения поезда находится на уровне примерно 30 км/ч, при которой достигается минимальный общий расход топлива 6,01 кг/поездо-км. Однако этот оптимум только по расходу топлива.

Для определения с экономической точки зрения оптимума в полном смысле этого слова необходимо учесть в денежном выражении все расходы При этом цену топлива сейчас можно принять 8300 руб /кг Расходы на топливо для тяги в зависимости от скорости движения при тех же исходных данных приведены в графе 2 таблицы 4.5.

Таблица 4.5 Расходы на передвижение при различных ходовых скоростях при массе локомотива Ря = 258 т (2ТЭ10Л)

С энергетическими затратами (расходом топлива для тяги) непосредственно связана также механическая работа локомотива и сил сопротивления движению подвижного состава и пути, вызывающие их физический износ. В условиях равновесия в природе и механике, а также при равновесных ценах в условиях рыночной экономики расходы, связанные с механической работой сил сопротивления, можно принять с достаточной степенью точности равными расходам на топливо для тяги. Эти результаты отражены в графе 3 той же таблицы 4.5, а суммарные - в графе 4. Эти расходы также возрастают с повышением скорости движения.

Вторая часть расходов, связанная со стоимостными параметрами времени (со стоимостью 1 поездо*часа) в расчете на 1 поездо*км, с повышением скорости движения поезда снижается.

Стоимость 1 поездо*часа включает в себя следующие расходы:

- расходы на топливо для собственных нужд локомотива (45,6 • 8,3) =378,5 тыс.руб.;- расходную ставку 1 бригадо-часа локомотивных бригад - 66,0 тыс. руб.;

- расходную ставку на 1 локомотиво-час при 2ТЭ10Л - 85,0 тыс.руб.;

- расходную ставку на 1 составо-час грузового поезда при 60 вагонах в составе поезда (0.4 • 60) = 24,0 тыс.руб.

Общие расходы на 1 поездо-час составят 378,5 + 66,0 + 85,0 + 24,0 = 353,5 тыс.руб.

В расчете на 1 поездо•км эти расходы при различных скоростях движения поезда приведены в графе 5. а суммарные - в графе б таблицы 4.2.

Рисунок 4.2.Зависимость расхода топлива от скорости.

Из данных таблицы 4.5 и рисунка 4.2 видно, что оптимальная по минимуму текущих расходов ходовая скорость движения грузовых поездов находится на уровне 35 км/ч, что значительно выше, чем только при учете затрат топлива (30 км/ч).

Кроме текущих эксплуатационных расходов в некоторых случаях при определении оптимальных скоростей движения грузовых поездов возникает необходимость учитывать еще и приведенные капиталовложения в подвижной состав.

В расчете на 1 поездо-час приведенные капиталовложения в подвижной состав можно рассчитать следующим образом:

где Цл, Цв- цена соответственно локомотива 2ТЭ10Л (50000 млн руб.) и грузового вагона (1100 млн руб.);

т - состав грузовою поезда в вагонах; Е-коэффициент эффективности капиталовложений, принимаемый равным 0,12 Тогда эти приведенные капиталовложения на 1 поездо-час составят

Эпр.п.ч = (50000 + 60 • 1100) • 0,12/(3б5 • 24) = 1,590 млн руб.

Приведенные капиталовложения в расчете на 1 поездо-км при различных скоростях движения приведены в графе 7. а суммарные - в графе 8 таблицы 4.5. По этим данным также построена кривая зависимости приведенных затрат от ходовой скорости движения поезда (см рисунок 4.2). Отсюда видно, что оптимальная скорость движения поезда в этом случае находится уже на уровне 50,0 км/ч.

Таким образом, данные таблицы 4.5 и кривые рисунка 4.2 показывают, что по мере прибавления статей расходов, зависящих от времени, оптимум все время смещается вправо, т. е. оптимальная ходовая скорость движения грузовых поездов на рабочих элементах профиля пути возрастает.

Что касается приведенных капиталовложений в перевозимую товарно-материальную массу, то их влияние на оптимальную ходовую скорость движения грузовых поездов следует, видимо, учитывать отдельно в каждом конкретном случае по требованию собственников этих ценностей в зависимости от ценности перевозимой товарной массы. Естественно, в этом случае соответственно должен возрастать и тариф на перевозку этих товарных масс.

Исходя из рассчитанной для рабочих элементов профиля пути оптимальной средней ходовой скорости движения грузовых поездов с учетом длины каждого перегона могут быть рассчитаны оптимальные поперегонные времена хода поездов в обоих направлениях. Для перегонов с преобладанием спусков, когда средняя ходовая скорость даже без тяги локомотива может приближаться к максимально допустимой (по конструкционным особенностям пути или подвижного состава) и даже требовать движения с подтормаживанием, оптимальное время хода определяется обычным методом тяговых расчетов.

При движении по такому перегону в обратном направлении, т е. с преобладанием крутых подъемов, близких к так называемым «расчетным», оптимальным перегонным временем хода должно быть время хода, определенное в соответствии с тяговыми расчетами

В остальном при разработке графика движения следует приближаться по возможности к оптимальным временам хода грузовых поездов. Однако в зависимости от условий взаимосвязи всех прокладываемых на графике линий («ниток») хода поездов в отдельных случаях может возникать необходимость в сокращении этого времени вплоть до предельного (нормативного) в соответствии с требованиями тяговых расчетов.