В результате воздействия локомотива на состав и взаимодействия вагонов между собой на поступательное движение поезда накладываются их различные взаимные перемещения во всех направлениях: продольные, поперечные и вертикальные, а. и мосей. Поезд представляют в виде материальной точки, в которой сосредоточена вся его масса. Из всех перемещений подвижного состава рассматривают только поступательное движение поезда и вращательное движение частей, частота вращения которых зависит от скорости движения поезда. Остальные перемещения в учет не принимают.
Уравнение движения поезда показывает связь между силами, действующими на поезд, и ускорением его движения.
Вращающиеся части снижают как ускорение, так и замедление поезда, т.е. вызывают тот же эффект, что и увеличение массы поезда. Их влияние на ускорение движения поезда в расчетах оценивают коэффициентом ɣ, и вместо массы поезда m вводят приведенную массу поезда mп = m(1+ɣ).
Fу = m(1+ɣ)α/12.96, это выражение называют уравнением движения поезда. Оно показывает зависимость между ускорением движения поезда (км/ч2), ускоряющей силой (Н), массой поезда (т), и коэффициентом инерции вращающихся частей.
В результате решения уравнения движения поезда определяется зависимость между скоростью движения, временем хода и проходимым расстоянием при действии ускоряющих или замедляющих сил.
Наиболее часто приходится рассчитывать силы дополнительного сопротивления движению от уклонов и кривых. Профиль железнодорожного пути состоит из отдельных элементов, отличающихся длиной s и крутизной i уклона. В случае подъема i имеет знак «+», а спуска «-». При выполнении расчетов, связанных с движением поезда, число элементов профиля пути уменьшают за счет спрямления элементов, при котором несколько элементов с различными уклонами заменяют одним уклоном – спрямленным участком, имеющим длину sс, равную сумме их длин.
Графический метод решения уравнения движения поезда основан на геометрической связи между удельными ускоряющими или замедляющими силами в каждом интервале скоростей, временем хода и проходимым путем.
Если требуется приближенно рассчитать времена хода, расхода электрической энергии или топлива и т.д. без больших затрат времени, то применяют упрощенные методы. Среди них наиболее распространен метод установившихся скоростей. Он основан на предположении, что на каждом элементе профиля пути поезд движется с установившейся скоростью, а при переходе с одного элемента на следующий она мгновенно изменяется до нового установившегося значения.
Масса состава – один из важнейших показателей, влияющих на эффективность работы железной дороги. Её увеличение в допустимых пределах позволяет увеличить провозную способность линий, снизить себестоимость и повысить экономичность перевозок, улучшить использование силы тяги и мощности локомотива, снизить расходы электрической энергии или топлива на тягу поездов. Чрезмерно большая масса состава может вызвать преждевременный выход из строя оборудования локомотива.
Поэтому массу грузового состава рассчитывают, исходя из полного использования силы тяги локомотива при движении по наиболее тяжелому подъему. Затем ее проверяют по условиям трогания на раздельных пунктах, возможности расположения поезда в пределах длины приемо-отправочных путей на станциях и нагреванию тяговых электродвигателей или генераторов.
При следовании поездов на большие расстояния их массу нельзя изменять для каждого перегона или участка, так как это потребовало бы частого переформирования состава, при котором усложнилась бы работа станций и замедлилась доставка грузов. Для ускорения доставки грузов уменьшают так же число пунктов смены локомотивов по пути следования. Поэтому устанавливают унифицированные нормы масс поездов по целым направлениям с работой локомотивов на длинных тяговых плечах.
При торможении поезда тормозная сила возникает не сразу после перевода рукоятки крана машиниста в тормозное положение. Требуется время на распространение воздушной волны по тормозной магистрали состава, срабатывание воздухораспределителей, перемещении тормозной рычажной передачи до соприкосновения тормозных колодок с колесами и на увеличение нажатия колодок до установившегося значения.
Напомним, что токовыми характеристиками называют зависимость тока тягового электродвигателя, или тока, потребляемого электроподвижным составом, или тока тягового генератора тепловоза от скорости движения. Их используют для нахождения токов при движении поезда с различными скоростями, которые необходимы, чтобы оценить использования мощности тяговых электродвигателей и генераторов, а на электроподвижном составе – и для определения расхода энергии на тягу поезда и расчета элементов системы электроснабжения. Зная ток, проходящий через обмотки электродвигателя и генератора, и время его протекания, определяют нагрев обмоток. При длительной работе локомотива с большими токами нагревание электрических машин может ограничивать наибольшую массу поезда. Поэтому после определения массы состава, скоростей движения и времени хода проверяют выбранную массу состава по условиям нагревания обмоток электрических машин.
Ранее было установлено, что при работе тягового электродвигателя или генератора в них неизбежны потери энергии, вызывающие нагрев их частей и деталей. Нагревание электрических машин зависит от потерь мощности, продолжительности нагревания и интенсивности охлаждения. Потери в них зависят от нагрузки. Чем больше ток проходит через обмотки машин, тем больше потери энергии в ней и тем сильнее нагреваются ее части (в первую очередь обмотки и коллектор).
Чтобы уменьшить нагрев тяговых электрических машин, их охлаждают воздухом, поступающим снаружи с помощью вентилятора. Он проходит внутри машины и отводит часть тепла. Для электродвигателей с принудительной вентиляцией устанавливают номинальное количество продуваемого через них воздуха. В электродвигателях и генераторах с самовентиляцией, где вентилятор находится на валу якоря, интенсивность охлаждения возрастает с увеличением частоты вращения якоря.