Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теория и практика изменения параметров грузового движения 10
1.1. Анализ исследований по установлению рациональных весовых норм и скорости движения поездов 12
1.2. Анализ изменения энергетических затрат на железнодорожных участках с электрической и тепловозной тягой 13
1.3. Выводы по 1 главе 20
ГЛАВА 2. Оценка параметров пропуска поездопотока по железнодорожному участку 21
2.1. Определение числа обгонов грузовых поездов пассажирскими 21
2.2. Анализ влияния времени нахождения грузовых поездов 33
на участках на их съем пассажирскими 33
2.3. Анализ влияния времени нахождения грузовых поездов на участках на показатели работы локомотивного парка 42
2.4. Анализ влияния времени нахождения грузовых поездов 47
на участках на показатели работы вагонного парка 47
2.5. Выводы по 2 главе 50
ГЛАВА 3. Экономико-математические модели оптимизации скоростей движения грузовых поездов 53
3.1. Общие положения 53
3.2. Экономико-математическая модель оптимизации скоростей движения грузовых поездов по критерию минимизации топливно- энергетических затрат 56
3.3. Экономико-математическая модель оптимизации скоростей движения грузовых поездов по критерию минимизации расходов ОАО «РЖД» 68
3.4. Экономико-математическая модель оптимизации скоростей движения грузовых поездов по критерию минимизации совокупных затрат ОАО «РЖД», грузовладельцев и владельцев вагонного парка 82
3.5. Разработка и оценка эффективности ресурсосберегающих ниток графика движения грузовых поездов 91
3.6. Выводы по 3 главе 97
ГЛАВА 4. Особенности разработки энергосберегающих ниток графика движения грузовых поездов на однопутных железнодорожных участках 100
4.1. Общие положения 100
4.2. Методика разработки энергосберегающих ниток при неизменном времени нахождения на участке грузовых поездов 107
4.3. Методика разработки энергосберегающих ниток при сохранении наличной пропускной способности железнодорожного участка 117
4.4. Методика разработки энергосберегающих ниток без учета потерь наличной пропускной способности железнодорожного участка 130
4.5. Выводы по 4 главе 145
Заключение 149
Список литературы 152
- Анализ изменения энергетических затрат на железнодорожных участках с электрической и тепловозной тягой
- Анализ влияния времени нахождения грузовых поездов на участках на показатели работы локомотивного парка
- Экономико-математическая модель оптимизации скоростей движения грузовых поездов по критерию минимизации топливно- энергетических затрат
- Методика разработки энергосберегающих ниток при неизменном времени нахождения на участке грузовых поездов
Анализ изменения энергетических затрат на железнодорожных участках с электрической и тепловозной тягой
Величина топливно-энергетических затрат на тягу поездов напрямую связана с числом разгонов и замедлений грузовых поездов при постановке под обгон пассажирскими поездами. В этой связи, необходимо получить аналитическую зависимость, характеризующую количество таких обгонов за сутки, для ее последующего использования в общей экономико-математической модели по оптимизации скорости и времени движения грузового поезда на железнодорожном участке.
На рисунке 2.1 представлен графоаналитический расчет грузовых поездов пассажирскими на двухпутных железнодорожных участках.
Обгон грузовых поездов пассажирским поездом будет иметь место в случаях, когда линии хода первых попадут в зону 1 (продолжительностью Т3). Данная зона начинается через минуту после отправления с технической станции 1 грузового поезда 2002 ( прибывающим на техническую станцию 2 с обеспечением расчетной величины интервала попутного прибытия за ним пассажирского поезда) и заканчивается в момент отправления с технической станции 1 грузового поезда 2004, который должен быть остановлен для обгона его грузовым на ближайшем к технической станции 1 раздельном пункте. Данное утверждение обусловлено строгим следованием по нитке пассажирского поезда.
Если грузовой поезд 2002 отправить на минуту позже, варианта представленного на рисунке 2.1, то по технической станции 2 величина интервала попутного прибытия пассажирского поезда за грузовым тпп не может быть обеспечена. В этом случае, грузовой поезд 2002 должен быть задержан, для обгона его пассажирским на последнем раздельном пункте железнодорожного участка. Аналогичное положение имеет место и в случае с отправлением грузового поезда 2004. Если его отправить на минуту позже варианта представленного на рисунке 2.1 (зона 2), то на первом раздельном пункте железнодорожного участка (обгонном пункте или промежуточной станции) не может быть обеспечена величина интервала попутного прибытия пассажирского поезда, идущим вслед грузового. Следовательно, грузовой поезд 2004 должен быть задержан на технической станции 1, отправлен на участок после пассажирского поезда и не будет поставлен под обгон. где tхг р ,tхп с – время хода по железнодорожному участку соответственно грузового и пассажирского поездов, мин; tхп с,tхп1с – время следования по первому перегону железнодорожного участка соответственно грузового и пассажирского поездов, мин. С учетом формулы (2.2) формулу (2.1) можно записать: грузового и пассажирского поездов по железнодорожному участку без учета первого перегона, мин.
В первом приближении, число зон, при попадании в которые грузовые поезда ставятся под обгон, равно количеству пассажирских поездов на графике движения. Однако пассажирские поезда могут пропускаться пакетами. В этом случае число зон уменьшается, как и снижается вероятность попадания в них грузовых поездов. Определим минимальное значение интервала между пассажирскими поездами, которое характеризует их пропуск, как пакетный. На рисунке 2.2 показан график пропуска пассажирских поездов в варианте, когда между ними следует отправление с технической станции грузового поезда с постановкой его под обгон на первом раздельном пункте железнодорожного участка.
Из графика следует, что если грузовой поезд может быть пропущен хотя бы по одному перегону между пассажирскими поездами, то пропуск пассажирских поездов не является пакетным. Следовательно, пакетным будет считаться пропуск пассажирских поездов при выполнении неравенства:
Анализ влияния времени нахождения грузовых поездов на участках на показатели работы локомотивного парка
В формулу (2.31) подставляются значения р рассчитанные по формуле (2.26). Для линий со скоростным пассажирским движением - по формуле (2.27) . Во всех случаях величина р должна удовлетворять условию (2.28). Невыполнение данного условия означает, что железнодорожный участок не обеспечивает пропуск заданного числа грузовых и пассажирских поездов при текущем соотношении времен их хода (скоростей движения).
В этом случае, в зависимости от условий текущей эксплуатации и технической оснащенности двухпутной линии, размеров грузового и пассажирского движения, на данном этапе или на перспективу необходимо установить рациональную схему этапного усиления пропускной и провозной способности. Схема будет учитывать последовательность выполнения мероприятий и периоды их осуществления при минимальных приведенных совокупных затратах. Практически возможны следующие варианты увеличения пропускной и провозной способности двухпутной линии:
Строительство дополнительных обгонных пунктов. Из формул (2.26) и (2.27) следует, что на уровень загрузки железнодорожного участка оказывает влияние время хода грузового поезда по ограничивающему перегону – tгр . Строительство дополнительных обгонных пунктов на максимальных перегонах позволяет уменьшить это время, следовательно – сократить величину коэффициента съема и снизить уровень загрузки всего участка. Однако, при этом возрастает число обгонов грузовых поездов пассажирскими, увеличиваются временные и топливно-энергетические затраты, связанные с пропуском грузового поездопотока.
Снижение скоростей движения пассажирских поездов вплоть до применения параллельного графика движения. Данный вариант позволяет уменьшить значение коэффициента съема грузовых поездов пассажирскими поездами и соответственно уровня загрузки железнодорожного участка. Однако он приведет к ухудшению такого важнейшего показателя качества транспортного обслуживания населения, как время нахождения в пути следования. Кроме того, рост времени нахождения составов (и локомотивов) в обороте может привести к увеличению парка пассажирских вагонов и локомотивов, дополнительным капитальным затратам и эксплуатационным расходам в устройства пассажирского хозяйства: депо, станционные пути и т.д.
Увеличение (если имеется такая возможность) скоростей движения грузовых поездов. Как и в предыдущем случае, данная мера приведет к уменьшению значения коэффициента съема грузовых поездов пассажирскими и соответственно уровня загрузки железнодорожного участка. Кроме того, она позволит сократить время нахождения в обороте вагонов и локомотивов, но приведет к росту потребления топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов.
При наличии на линии тепловозной тяги – переход на электрическую. Требуется электрификация железнодорожного участка, строительство подстанций, приобретение соответствующего тягового подвижного состава и т.д. При этом происходит повышение массы грузовых поездов и снижается потребность в их общем количестве. В свою очередь, увеличение массы грузовых поездов вызывает дополнительные затраты, отмеченные в пункте 5.
Увеличение массы обращающихся грузовых поездов при электрификации линии или применении более мощных электровозов, применении двойной тяги и т.п. Требуется удлинение путей на технических станциях и промежуточных станциях и обгонных пунктах железнодорожного участка. При уже электрифицированной линии необходимо усиление системы энергоснабжения.
Применение интервального регулирования движения поездов. Позволяет сократить расчетный межпоездной интервал и, тем самым, повысить наличную пропускную способность участка. Требует оборудования железнодорожной линии и поездных локомотивов соответствующими устройствами и приборами (ГЛОНАСС, GPS). Кроме того, необходимо усиление системы электроснабжения, реконструкция горловин технических и промежуточных станций железнодорожного участка, позволяющих принимать на раздельные пункты грузовые поезда с минимальным межпоездным интервалом.
На основании приведенных вариантов разрабатываются возможные схемы усиления пропускной способности двухпутного железнодорожного участка и для каждой схемы поэтапного усиления пропускной способности на весь период эксплуатации линии составляется уравнение, характеризующее зависимость этих затрат (руб.), от сроков осуществления каждого мероприятия tt, т.е.:
Экономико-математическая модель оптимизации скоростей движения грузовых поездов по критерию минимизации топливно- энергетических затрат
Для оценки топливно-энергетических и временных затрат на двух путных и многопутных железнодорожных участках разработаны расчетные формулы - определения суммарного числа обгонов грузовых поездов пассажир скими и среднего числа обгонов, которым подвергается один грузовой поезд при следовании по железнодорожному участку. Расчет числа обгонов грузовых поез дов пассажирскими за сутки, производится отдельно для четного и нечетного направлений, вследствие разного соотношения времен хода грузового и пасса жирского поездов в четном и нечетном направлениях, а также различного числа зон прокладки пассажирских поездов для четного и нечетного направлений.
Результаты массовых расчетов показали, что по влиянию на суммарное число обгонов грузовых пассажирскими поездами за сутки, фактор роста разницы времени нахождения на железнодорожном участке грузового и пассажирского поездов, значительно превосходит аналогичное влияние, которое оказывает, как рост размеров грузового движения, так и увеличение числа зон прокладки пассажирских поездов.
Установлено, что снижение скоростей движения грузовых поездов в целях экономии топливно-энергетических затрат, при неизменных скоростях движения пассажирских поездов, приводит к росту числа обгонов грузовых по ездов пассажирскими, и как следствие, к увеличению топливно-энергетических затрат, связанных с разгонами и замедлениями обгоняемых грузовых поездов. В то же время, пропуск пассажирских поездов в пакетах уменьшает вероятность и число обгонов ими грузовых поездов. Одновременно, пакетная прокладка пассажирских поездов приводит к увеличению времени нахождения грузовых поездов на раздельных пунктах.
С учетом пакетного пропуска пассажирских поездов, разработана формула для определения средней задержки грузового поезда при обгоне его пассажирским.
Исследование уровня загрузки железнодорожного участка, в зависи мости от соотношения времени нахождения на нем пассажирского и грузового поездов при различном количестве первых показало, что с уменьшением разно сти времени нахождения на железнодорожном участке (повышением скоростей движения грузовых поездов) грузового и пассажирского поезда, при прочих рав ных условиях, уровень загрузки участка снижается и наоборот. Минимальный уровень загрузки железнодорожного участка имеет место, когда время нахожде ния на участке грузового поезда, равно времени нахождения пассажирского, т.е. график является параллельным.
Наиболее интенсивный рост уровня загрузки железнодорожного участка при увеличении разности времени нахождения на нем грузового и пассажирского поездов наблюдается при росте размеров пассажирского движения.
При наличии на железнодорожном участке скоростного пассажир ского движения имеет место совершенно иная тенденция изменения уровня за грузки железнодорожного участка - от изменения соотношения времен нахожде ния на нем скоростного пассажирского и грузового поездов. При небольших размерах скоростного движения, с уменьшением разности времени нахождения на железнодорожном участке (повышением скоростей движения грузовых поез дов) грузового и пассажирского поезда, при прочих равных условиях, уровень загрузки участка снижается и наоборот. Однако, начиная примерно с 15 скоро стных поездов, имеет место прямо пропорциональный рост уровня загрузки же лезнодорожного участка при увеличении разрыва между временем нахождения на участке скоростного пассажирского и грузового поездов. 2.5.5. При наличии превышения максимального уровня загрузки железнодорожного участка (для определенных соотношений скоростей движения грузовых и пассажирских поездов), в зависимости от условий текущей эксплуатации и технической оснащенности двухпутной линии, размеров грузового и пассажирского движения на данном этапе или на перспективу, необходимо установить рациональную схему этапного усиления пропускной и провозной способности, учитывающую последовательность выполнения мероприятий и периоды их осуществления при минимальных приведенных совокупных затратах.
Методика разработки энергосберегающих ниток при неизменном времени нахождения на участке грузовых поездов
При выполнении данного условия для нового значения ограничивающей ходовой скорости производится расчет топливно-энергетических затрат для четного и нечетного направлений рассматриваемого перегона Wiч ,Wiн (9 блок).
Невыполнение условия в 8 блоке означает, что рассматриваемый перегон переходит в категорию ограничивающего, что приводит к снижению наличной пропускной способности однопутного железнодорожного участка. В этом случае текущее значение ограничивающей ходовой скорости не рассматривается и следует переход к следующему перегону.
В 10 блоке анализируется изменение расхода топливно-энергетических затрат, рассчитанных для текущего ограничивающего значения ходовой скорости по сравнению с предыдущим. Если текущий расход превышает полученный при предыдущем значении ходовой скорости, то расчеты для данного перегона заканчиваются и следует переход к 14 блоку, в котором определяется экономия топливно-энергетических затрат от ограничения ходовой скорости грузовых поездов, а также перегонные времена хода на рассматриваемом перегоне.
Если в 10 блоке для одного из направлений текущий расход превышает полученный при предыдущем значении ходовой скорости, а для второго происходит дальнейшее снижение, то для первого расчеты заканчиваются, а для второго продолжаются.
При продолжении расчетов в 11, 12 и 13 блоках расчетным параметрам присваиваются новые текущие значения и следует переход к 6 блоку, в котором ограничивающее значение ходовой скорости вновь уменьшается на величину 1 км/ч.
После завершения цикла расчетов для рассматриваемого перегона следует переход к следующему перегону однопутного железнодорожного участка (15 блок).
Расчеты продолжаются до тех пор, пока не будет рассмотрен предпо 111 следний перегон (16 блок), где k – общее перегонов на рассматриваемом железнодорожном участке.
В заключении, определяется суммарная экономия топливно-энергетических затрат от оптимизации элементов ниток хода грузовых поездов по «внутренним перегонам однопутного железнодорожного участка (17 блок).
На основе представленного алгоритма выполнены практические расчеты для конкретных однопутных железнодорожных участков Северной железной дороги.
На рисунке 4.5 показан существующий (черный цвет) и энергооптимальный (красный цвет) график движения грузовых поездов на неэлектри-фицированном однопутном железнодорожном участке Рыбинск Пассажирский – Сонково. А на рисунке 4.6 также существующий (черный цвет) и энергооптимальный (красный цвет) график движения грузовых поездов на электрифицированном однопутном железнодорожном участке Малошуйка – Мудьюга.
На однопутном железнодорожном участке Рыбинск Пассажирский – Сонково ограничивающим является перегон Родионово – Пищалкино. Вследствие этого (как видно из последней колонки представленного графика) на нем, а также на крайних перегонах: Рыбинск Пассажирский – Юрин-ский и Пищалкино – Сонково отсутствуют резервы времени хода грузовых поездов. На остальных перегонах резерв колеблется от 2 мин (перегон Мас-лово – Родионово) до 21 мин (перегон Кобостово – Волга). В последнем случае большой резерв времени хода грузовых поездов обусловлен минимальным (для всего железнодорожного участка) временем хода грузовых поездов по перегону Кобостово – Волга, которое в сумме составляет 5+4=9 мин (учитывая, что суммарное время хода четного и нечетного грузового поезда по ограничивающему перегону Родионово – Пищалкино составляет 16+14=30 мин, имеем резерв времени хода 30-9=21 мин). В соответствии с представленным на рисунке 4.4 алгоритмом выпол 112 нен расчет энергооптимальных ниток для внутренних перегонов железнодорожного участка, которые отображены на графике красным цветом. Соответственно в правой колонке проставлен резерв для энергооптимального графика.
Анализ резервов времени хода показывает, что они сохраняются на отдельных перегонах и при энергооптимальном режиме движения грузового поезда, т.е. энергооптимальность достигается не путем реализации всего резерва в первоначальном графике, а за счет оптимизации ходовой скорости движения грузовых поездов по отдельным перегонам. Так, например, на перегоне Маслово – Родионово существовавший резерв 2 мин в энергооптимальном графике выбирается полностью, а на перегоне Кобостово – Волга он снижается с 21 мин до 13 мин. Т.е. фактически происходит перераспределение времени между движением поезда по перегону и его простоем под скрещением на раздельных пунктах однопутного железнодорожного участка.
Так, например, на перегоне Маслово – Родионово существовавший резерв 2 мин в энергооптимальном графике выбирается полностью, а на перегоне Кобостово – Волга он снижается с 21 мин до 13 мин.
В таблице 4.1 приведены технологические параметры движения грузовых поездов на однопутном железнодорожном участке Рыбинск Пассажирский – Сонково, рассчитанные для действующего и энергооптимального графиков движения. Например для перегона Шестихино – Некоуз минимальный расход дизельного топлива достигается при уменьшении ходовой скорости движения грузового поезда с 80 км/ч в четном направлении и 65 км/ч в нечетном направлении до 50 км/ч в обоих направлениях. При этом экономия дизельного топлива для данного перегона на пару поездов составляет 17 кг.
В целом, для всего однопутного железнодорожного участка Рыбинск Пассажирский – Сонково энергооптимальный график для внутренних перегонов позволяет получить экономию дизельного топлива в размере 187 кг. Учитывая, что в нормативном графике движения поездов на данном железнодорожном участке заложено 22 пары грузовых поездов, суммарная суточная экономия дизельного топлива при переходе на энергооптимальный график составит 4114 кг условного топлива, что при стоимости 1 его килограмма 9,53 руб. позволяет получить экономию в денежном выражении в размере 39206 руб./сутки (1,5 млн. т/год или более 14 млн. руб./год).
