Транспортное движение — это движение, связанное с перемещением в пространстве грузов или пассажиров. Существуют различные виды и формы транспорта: наземные, водные, воздушные, но все они (кроме, может быть, трубопроводного транспорта, где перемещается непосредственно сам груз —жидкий или газообразный) осуществляются путем перемещения транспортного средства (автономного, как автомобиль, самолет, судно, поезд с тепловозом, или неавтономного — электропоезд, трамвай, троллейбус) с грузами или пассажирами на определенное расстояние S: от места погрузки (посадки) до места выгрузки или доставки, буквально, как в школьных задачах — «из пункта А в пункт Б».
Так как для перемещения необходима движущая сила, при транспортировке совершается механическая работа, которая по определению равна произведению величины силы (действующей в направлении движения) на пройденное расстояние. Для выполнения этой работы необходимо затратить энергию в какой-то ее форме.
Особенности транспортного движения.
Транспортное движение имеет некоторые особенности, которые отличают его от других видов движения.
Прежде всего, движение транспортного средства — циклическое. В каждом его цикле есть начало движения (момент во времени и точка—в пространстве) него конец, когда скорости движения равны нулю, то есть транспортное средство и его груз до начала движения и после его окончания неподвижны. Таким образом, каждый цикл движения характеризуется пройденным расстоянием и временем движения. Эти две величины позволяют подсчитать среднюю скорость движения.
Любое движение в пространстве в общем случае может быть трехмерным, то есть при движении тела могут изменяться все три геометрические координаты его положения в пространстве в данный момент.
Однако транспортное движение не стихийное, а целенаправленное. Оно связано с перемещением транспортного средства с грузами или пассажирами на конкретное определенное расстояние и, по возможности, кратчайшим путем, то есть по прямой линии, и, как правило, за минимально возможное время.
Кратчайшим расстоянием между двумя точками, как известно, является прямая линия, их соединяющая. Поэтому оптимальным для любого транспортного средства является движение по прямой (кратчайший путь и, следовательно, минимальное время этого движения). Принимая такое допущение, можно транспортное движение в идеале рассматривать как одномерное (когда в движении меняется лишь одна-единственная геометрическая координата — расстояние от исходной точки начала движения).
Так как в начале и в конце транспортного цикла скорость движения равна нулю, сам цикл движения состоит, как минимум, из трех различных фаз (или режимов) движения: разгон (трогание с места и увеличение скорости движения), собственно транспортное движение в определенном диапазоне скоростей и последующее замедление (вплоть до полной остановки).
Цикл транспортного движения.
На рис. 1.1 показан примерный график характера изменения скорости движения во время цикла транспортного движения на расстоянии от пункта А (координата пути S1) до пункта Б (координата S2 ). Рассмотрим его внимательней.
Если бы была поставлена задача преодолеть расстояние АБ за минимальное время, то график скорости транспортного движения должен был бы состоять всего из двух ветвей: режима разгона с максимально возможным ускорением (от А до точки В, которая бы соответствовала максимальному значению достигнутой скорости) и режима резкого торможения с наибольшим возможным замедлением (отрицательным ускорением) — от В до Б. Этот график движения показан на рис. 1.1 пунктирными линиями.
Рис. 1.1. Циклы транспортного движения
При транспортном движении по этому графику средняя скорость движения была бы выше, чем при любых других возможных графиках движения между точками А и Б. Однако, с одной стороны, можно представить, что при больших расстояниях максимальная, требуемая для такого режима, величина скорости (в точке В) стремилась бы к бесконечным значениям, которые техника вообще обеспечить не может. С другой стороны, такой режим неразумен с точки зрения затрат энергии, ибо весь запас кинетической энергии, накопленный транспортным средством на стадии разгона, должен быть полностью погашен (поглощен и преобразован в теплоту) тормозными средствами. Кроме того, величины необходимого замедления и создающей его тормозной силы также могут быть неограниченно большими, недопустимыми по соображениям безопасности или обеспечения сохранности грузов под действием сил инерции.
Поэтому в реальных условиях транспортных перевозок такой режим (за минимальное время) неприемлем. Однако примерно так (по линии А В) осуществляется разгон ракетных двигателей при запуске космических объектов, которым не нужно останавливаться.
Почти по такому режиму цикла пытаются ездить по городским улицам некоторые «лихие» водители автомобилей, которые, буквально срываясь с места, когда включается зеленый свет на светофоре, мчатся с ускорением до следующего перекрестка, где потом при красном свете вынуждены резко тормозить, не жалея шины своих транспортных средств.
В жизни и в технике не может быть бесконечно больших значений физических величин.
Прежде всего, в любом транспортном движении ограничивается величина максимальной скорости. Природа этих ограничений может быть различной. Скорость может ограничиваться конструктивными факторами (конструкция и прочность самого транспортного средства и пути, по которому оно движется). Для локомотивов такая наибольшая допустимая скорость поэтому и называется конструкционной. Кроме того, скорость может ограничиваться различными объективными причинами (условиями организации движения или обеспечением его безопасности, техническим состоянием пути и т.п.).
Ограничение величины максимальной скорости на графике рис. 1.1 превращает криволинейный треугольник А ВБ в криволинейную трапецию АГДБ с тремя фазами движения, о которых речь шла выше.
Стремление использовать полезно хотя бы часть кинетической энергии, накопленной транспортным средством, побуждает водителя к тому, чтобы перед предполагаемой остановкой в конце цикла выключить двигатели транспортного средства раньше начала процесса торможения (на графике рис. 1.1 — в точке Е) и часть остающегося пути (ЕЖ) транспортное средство в этом случае проходит по инерции. Такой режим движения называют «выбегом» или «режимом холостого хода».
В результате график скорости транспортного движения в пределах цикла складывается уже не из трех, а из четырех различных фаз: разгон АГ, собственно движение ЕЕ, выбег ЕЖ и торможение ЖБ. Так работают, в частности, рельсовые транспортные средства на сравнительно коротких участках, перегонах (метро, трамвай, пригородные электропоезда).
Примерно так выглядят и циклы полета транспортного самолета или движения морского судна. Разогнавшись, эти виды транспортных средств движутся затем в неограниченном пространстве, воздушном или водном, с примерно постоянной (крейсерской) скоростью при постоянном режиме работы энергетической установки.
График движения наземного транспорта (автомобильного, железнодорожного) отличается тем, что скорость транспортного средства в цикле движения на больших расстояниях не может быть постоянной при неизменном режиме работы энергетической установки, так как продольный профиль пути, зависящий от рельефа земной поверхности, меняется, оказывая большее или меньшее сопротивление движению.
Для железнодорожного рельсового транспорта, где поезда движутся по рельсовой колее друг за другом, возникает необходимость введения еще одного ограничения—установления величины минимальной скорости движения. Она не может быть произвольной, так как малая скорость сдерживает возможные размеры движения и пропускную способность железной дороги.
Величина минимальной скорости в продолжительном движении локомотива с составом принимается, как известно, уже при проектировании локомотивов. Эту величину называют расчетной скоростью (или скоростью движения на расчетном подъеме).
Рис. 1.2. Схема графика цикла рельсового транспорта
Таким образом, для железнодорожного транспорта цикл движения, ввиду больших расстояний и неоднозначности рельефа (продольного профиля и плана) пути, выглядит так, как показано на рис. 1.2, где график цикла движения, помимо начального разгона и конечного замедления, представляет собой не однозначную линию зависимости скорости транспортного движения от расстояния, а зону, в которой могут иметь место различные по скорости режимы движения в пределах от минимального до максимального ее значений (эта зона заштрихована на рисунке).
Вот этот цикл транспортного движения, внутри которого могут неоднократно повторяться процессы изменения скорости движения поезда и режимы работы локомотива (разгон, установившееся движение, выбег, торможение), и является предметом теоретического и практического изучения прикладной транспортной науки, которую обычно называют «Тяга поездов».
Слово «тяга», как понятие железнодорожной отрасли, было очень распространено в России в конце XIX и начале XX вв. Раньше на железных дорогах страны службы локомотивного хозяйства железных дорог назывались службами тяги; инженеры и техники по локомотивам назывались «тяговики». Проводились общероссийские съезды инженеров тяги и т.д. Сейчас это слово используется реже, например, в сочетаниях «электрическая тяга», «тепловозная тяга». Тем не менее, и сейчас это емкое и чисто русское понятие сохранилось в названии отраслевой железнодорожной науки «Тяга поездов» и нашего учебного курса «Теория локомотивной тяги». В английском языке есть аналогичный слову «тяга» термин — «traction». Например, в Англии издавался журнал «Diesel Railway Traction» (дизельная, то есть тепловозная, железнодорожная тяга).
Содержание и структура.
Тяга поездов рассматривает круг вопросов, связанных с обеспечением движения поездов на железных дорогах. Она включает в себя следующие основные разделы:
- механика (кинематика и динамика) транспортного движения (то есть в нашем случае — движения поездов);
- энергетика движения поездов;
- тяговые свойства и характеристики подвижного состава (локомотивов и вагонов);
- элементы управляемости движения поездов и его безопасности в режиме тяги и при торможении;
- методы практических решений задач, связанных с механикой движения поездов, и расчета параметров движения;
- методы тягово-энергетических испытаний подвижного состава.
Таким образом, наука о механике движения поездов имеет две стороны: теоретическую и практическую.
Теоретическая сторона науки о тяге поездов основана на законах теоретической механики и качественно анализирует движение поездов с позиций физики.
Практическая сторона, то есть оценочная (количественная) база для расчетов механики движения поезда, создается на основе обобщения и систематизации многочисленных экспериментальных данных, полученных как в эксплуатации, так и при специальных испытаниях.
Теория тяги поездов и тяговые расчеты используются:
- при проектировании подвижного состава и локомотивов в особенности;
- при организации эксплуатации локомотивов;
- при организации движения поездов;
- при проектировании железных дорог.
Поэтому изучение этого курса необходимо специалистам, связанным с подвижным составом, с управлением процессами перевозок, с изысканиями и проектированием железных дорог. Но, в первую очередь, знание и понимание теории тяги поездов и умение выполнять тяговые расчеты необходимы специалистам, работающим в сферах локомотивостроения и эксплуатации локомотивов.
Теоретической части тяги поездов в стандартном учебном плане высшего технического образования по специальности 150 700 «Локомотивы» посвящен лекционный курс, названный «Теория локомотивной тяги».
Методы использования положений теории тяги для расчетов, связанных с механикой движения поезда и называемых обычно «тяговыми расчетами», рассматриваются на практических занятиях, предусмотренных примерной программой дисциплины «Теория локомотивной тяги». Получаемые при этом знания и навыки закрепляются студентом при самостоятельном выполнении индивидуальной курсовой работы по тяговым расчетам.