Технологическая характеристика подвижного состава и железнодорожного пути
Карьерные вагоны имеют открытый кузов (для экскаваторной погрузки и механической разгрузки); они должны выдерживать большие ударные нагрузки, обеспечивать быструю разгрузку, иметь повышенную устойчивость. Широко применяются саморазгружающиеся вагоны-думпкары преимущественно с откидывающимися бортами, грузоподъемностью до 180 т.
Для перевозки полезных ископаемых из карьера на расстояние более 20 – 25 км используют вагоны (гондолы) грузоподъемностью 63, 71, 94 и 123 т. При меньших расстояниях для перевозки угля экономичнее применять специализированные вагоны самосвалы грузоподъемностью 90 – 140 т при вместимости до 142 м3.
Основные параметры карьерных вагонов: грузоподъемность, вместимость, коэффициент тары, число осей, нагрузки на ось, нагрузки на 1 м пути, радиус вписывания в кривые и линейные размеры.
Грузоподъемность вагона q – максимальное количество груза (в тоннах), допускаемое конструктивной прочностью вагона. Вместимость вагона Vв соответствует геометрическому объему кузова. Суммарная грузоподъемность вагонов одного поезда составляет его полезную массу. По условиям прочности и загрузки вместимость думпкара должна быть в 4 -6 раз больше вместимости ковша экскаватора. Масса отдельных кусков не должна превышать 3 – 3.5 т при высоте разгрузки от дна вагона hр = 2 – 2.5 м и 5 – 6 т при hр 
0.5 м. При погрузке цепными экскаваторами на рельсовом ходу удельная вместимость вагонов (на 1 м длины) должна соответствовать производительности и скорости движения экскаваторов.
Коэффициент тары вагона Кт называется отношение его собственной массы qт (массы тары) к грузоподъемности q. Масса тары зависит от типа вагона и способа его разгрузки. Наибольшую массу имеют думпкары (за счет опрокидного устройства), наименьшую глухие гондолы. В равных условиях с уменьшением коэффициента тары возрастает экономичность перевозок. У карьерных вагонов Кт изменяется от 0.28 – 0.3 до 0.5 – 0.7. Сумма полезной и собственной массы вагона составляет его общую массу.
Нагрузка на ось – часть общего веса, приходящаяся на одну вагонную ось. Допустимая нагрузка на ось, определяемая конструкцией и прочностью верхнего строения пути, обычно составляет 260 – 300 кН. С увеличением грузоподъемности вагонов число осей повышается с четырех до шести – восьми.
Нагрузка на 1 м пути (отношение веса груженого вагона к его длине) определяет возможность пропуска вагонов по мостам и другим искусственным сооружениям.
Радиус вписывания в кривые зависит от основного линейного размера вагона – длины его жесткой базы и составляет 80 м.
Локомотивы. Применяемые на карьерах в качестве локомотивов электровозы и тепловозы характеризуются мощностью, силой тяги, расчетной и сцепной массой, расположением и назначением осей, давление на ось и проходимостью по кривым.
Мощность локомотива Nл (кВт) может быть выражена через индикаторную силу тяги F (кН) и скорость движения V (км/ч)
Nл = F V 
/3,7, (25.1) где - к. п. д. передачи от двигателя к ведущим колесам.
Сцепная масса локомотива Qсц – часть массы, приходящаяся на движущие оси. В электровозах и мотовозах обычно все оси являются движущими, а общая (расчетная) масса локомотива Qр – это и его сцепная масса. Сцепная сила тяги – внешняя сила, затрачиваемая в основном на преодоление сопротивление движению и уменьшается с увеличением скорости. При небольших скоростях движения, характерных для карьерного транспорта, сила тяги ограничивается сцепной силой тяги (Н)
Fк 
Fсц = 1000 
Qсц g, (25.2) где Fк и Fсц – касательная и сцепная сила тяги; Qсц – сцепная масса, т; - коэффициент сцепления между бандажами ведущих колес локомотива и рельсами; при движении дв = 0.22 – 0.26, а при трогании с места тр = 0.28 – 0.34.
На карьерах с грузооборотом 10 – 20 млн. т/год и более распространение получили электровозы постоянного тока массой 100 – 150 т. Их достоинства: возможность преодоления подъемов до 40 ‰, радиусы закруглений до 80 м, независимость от климатических условий, надежность в эксплуатации, простота управления и обслуживания. Недостатки электрической тяги: необходимость сооружения на карьерах тяговых подстанций, значительные первоначальные капитальные затраты, сложность эксплуатации передвижной контактной сети. На карьерах с грузооборотом 30 – 50 млн. т/год целесообразно применять электровозы постоянного тока напряжением 3000 В и переменного тока 10 кВ, что позволяет увеличить скорость движения поездов (за счет увеличения ), сократить потери энергии и расход цветных металлов на контактную сеть.
В глубоких карьерах резкое увеличение преодолеваемых подъемов (до 55 ‰) или полезной массы (в 2 – 2.5 раза) по сравнению с соответствующими показателями при работе электровозов, уменьшается расход электроэнергии (на 15% при подъеме 40 ‰ и на 25% при подъеме 30 ‰) и снижение затрат на перевозки (на 25 – 30%) достигается при использовании тяговых агрегатов. Они состоят из электровоза управления, секции автономного питания (может отсутствовать) и одного двух моторных думпкаров, дополнительно перевозящих полезный груз.
Тепловозы (в основном с электрической трансмиссией) имеют высокий КПД (до 28 % ), автономность питания, небольшой расход условного топлива и не требуют строительства контактной сети и сопутствующих сооружений. Основные их недостатки: недоступность перегрузки двигателей внутреннего сгорания, малая величина преодолеваемого подъема ( до 30 ‰), относительно быстрый износ деталей, сложность ремонта. Область рационального использования магистральных тепловозов сцепной массой 150 – 180 т ограничивается карьерами с грузооборотом до 25 млн. т/год и глубиной до 100 м, а тепловозы сцепной массой до 70 т – карьерами с грузооборотом до 5 млн. т/год.
Главным параметром железнодорожного пути является ширина колеи. На средних и крупных карьерах СНГ принята стандартная колея шириной 1520 мм (допуски +10 и – 4 мм). На карьерах с небольшим грузооборотом применяют узкую колею (750 мм, иногда 900 и 1000 мм). На зарубежных карьерах ширина стандартной колеи составляет 1435 мм.
Линия, положение которой в пространстве определяет план и профиль оси земляного полотна, называется трассой пути. Горизонтальна проекция трасы является планом пути, вертикальная – его продольным профилем.
Путь в плане состоит из прямых и закруглений, сопряженных переходными кривыми (рис. 25.1). Минимальный радиус закругления R зависит от типа подвижного состава и ширины колеи. Нормальным для всех карьерных путей считаются радиусы не менее 200 м для колеи шириной 1520 мм и 100 м для колеи шириной 750 мм. На временных путях допускаются радиусы кривых 120 – 150 м.
Рисунок 25.1 Элементы плана и профиля пути: а – переходная кривая; б – прямая вставка между обратными кривыми с радиусом R1 R2; в – заложение уклона; г – сопряжение площадки и уклона Минимальное расстояние между осями прямых участков пути на перегонах р = 4.5 м, а на станциях (в зависимости от назначения путей) р = 4.5 – 7.5 м. Уширение пути на криволинейных участках пути, необходимое для предотвращение выпирания рельса при вписывании в кривую подвижного состава, зависит от радиуса кривой и изменяется от 10 до 30 мм при уменьшении радиуса R с 350 до 100 м.
Возвышение наружного рельса на криволинейных участках пути (для предупреждения схода поезда под действием центробежной силы) зависит от скорости движения и радиуса кривой и находится в пределах 20 -65 мм. Минимальное расстояние между осями путей при этом увеличивается от 100 (при R = 1000 м) до 420 мм (при R = 100 м). Наружный рельс разгрузочного пути на отвале должен иметь возвышение 100 – 150 мм. При трассировании путей должен соблюдаться стандартный габарит приближения строений.
Продольный профиль пути состоит из наклонных и горизонтальных участков. Величина подъема (уклона) пути i, измеряемая тангенсом угла I (см. рисунок 25.1, в), выражается в виде десятичной дроби или числом тысячных долей единицы (‰). Так как величина i весьма мала (обычно до 0.06, или 60 ‰) длину заложения В считают часто равной длине пути L на участке подъема h:
i = tgI = h/B 
h/L. (25.3)
Максимальный затяжной подъем (уклон) пути в грузовом направлении, по величине которого определяется масса поезда при движении с расчетной скоростью, называется руководящим подъемом. На криволинейных участках пути он должен уменьшаться на величину iR, эквивалентную дополнительному сопротивлению движения поезда на кривой (i = iр – iR).
Допускаемые уклоны погрузочных путей не должны превышать 5 ‰. Предельные уклоны и радиусы рельсовых путей погрузочно-транспортных и транспортно-отвальных машин определяются их паспортными данными.
Противоположные по уклону смежные элементы продольного профиля разделяются площадкой, если i > 4 ‰. Для предупреждения обрыва поездов в месте изменения продольного профиля пути смежные элементы его в вертикальной плоскости сопрягаются кривыми радиусом 5000 м – на постоянных и 2000 м – на временных путях.
Раздельные пункты
Путевое развитие карьера зависит от мощности и размеров карьера в плане, числа грузопотоков, рельефа местности, схемы вскрытия, системы разработки и др. Протяженность железнодорожных путей достигает на карьерах десятков, иногда сотен километров. Путевая схема карьера включает:
забойные и отвальные временные пути, периодически перемещаемые вслед за подвиганием добычных, вскрышных и отвальных уступов;
соединительные пути, связывающие забойные и отвальные пути с путями в капитальных траншеях и на поверхности, со станциями и другими цехами предприятия;
пути капитальных траншей и съездов, связывающие рабочие горизонты карьера с путями на поверхности;
откаточные, главные, цеховые и хозяйственные пути на поверхности;
магистральные пути, соединяющие карьер с путями КТЖ;
раздельные пункты, обеспечивающие безопасное и эффективное движение поездов в карьере и на поверхности.
Раздельными пунктами (РП) путевая сеть карьера разбивается на отдельные участки – перегоны. Согласно ПТЭ на каждом перегоне одновременно может находится только один поезд (исключение допускается для забойных и отвальных путей при маневровом способе движения поездов). Разделение длинных перегонов на более короткие блок-участки достигается возможность одновременного движения большего числа поездов. Перегоны и блок-участки ограничены путевыми сигналами (светофорами или семафорами).
Раздельные пункты могут обеспечить обмен поездов (станции, разъезды) или служить только для изменения направления и регулирования интенсивности движения (путевые посты).
Пути раздельных пунктов, как правило, должны располагаться на горизонтальной площадке, а в отдельных случаях на уклоне iр.п 2.5 ‰, в стесненных условиях при отсутствии отцепки локомотивов допускаются уклоны iр.п 7.5 iр. В плане пути раздельных пунктов, как правило, должны быть прямолинейными; в тяжелых условиях допускается карьерные станции располагать на кривых радиусом R 250 м (в особых случаях 150 м), а разъезды – на кривых с R 120 м. Нормальное расстояние между осями смежных путей р = 5.3 м.
Полезная длина путей раздельных пунктов (м) при длине поезда ℓп
ℓпол = ℓп + ℓрез + ℓсг , (25.4) где ℓрез - резерв на неточность установки поезда, м (ℓрез = 15 м); ℓсг – расстояние на установку сигнала, м (ℓсг = 20 м).
Карьерные станции в зависимости от выполняемых операций подразделяются на породные, погрузочно-разгрузочные и сборочно-распорядительные.
Пути карьерных станций предназначены для обгона, скрещения (встречи), приема и отправления поездов, маневровой работы, технического осмотра поездов, мелкого безотцепочного ремонта и экипировки локомотивов, иногда формирования и расформирования поездов. На диспетчерском посту сосредоточено управление движением поездов от забоев до пунктов разгрузки. Технической работой станции руководит дежурный по станции; распорядительные функции по движению поездов выполняет диспетчер.
Станции могут пропускать всю горную массу (при небольшом грузообороте), быть породными или угольными (рудными) или предназначаются для прохода груженых или порожних поездов. Число приемо-отправочных путей определяется расчетом в зависимости от величины и направления грузопотоков.
Рисунок 25.2 Схемы путевого развития породных станций:
І – V – станционные пути; 1 – 22 стрелочные переводы; А, Б – в карьер на отвал или ОФ; В – в карьер; Г – на отвал
Породные станции устраивают возможно ближе к отвалам. Станции на однопутном участке (рис. 25.2, а) обычно имеют три четыре пути. Прием груженых поездов с остановкой производится на путях ІІІ или ІV, а порожняка – на пути ІІ; главный путь І служит для пропуска поездов без остановки. Аналогично назначение путей станции на двухпутном участке (рис. 25.2, б) при движении от 20 до 40 пар поездов в смену. В необходимых случаях возможно использование каждого пути для приема как груженых, так и порожных поездов. Обезличивание путей достигается устройством в каждой горловине станции двух диагональных съездов.
Развитие горловин станции зависит как от грузооборота, так и направления движения. При трех двухпутных участках с угловым заездом (рис. 25.2, в, г) число стрелочных переводов возрастает с 12 до 14 – 22, а полная длина станции, представленных на рисунке 25.2, б, в, г, при марке крестовины стрелочных переводов 1/9, р = 5.3 м полезной длине путей 180 м составляет соответственно 600, 575 и 775 м.
При транспортировании всей горной массы на поверхность по одним путям станция выполняет операции по разделению грузопотоков и направлению их: породного на отвалы, полезного ископаемого – на сборочную станцию или непосредственно потребителю. Представленные на рисунке 25.2, в, г схемы станций обеспечивают разделение как породных грузопотоков, так и породы и полезного ископаемого.
Сборочно-распорядительные станции служат для приема порожних поездов с дороги КТЖ, деления порожнего состава на части ( группы) и подачи их в карьер к экскаваторам под погрузку, приема груженых вагонов из карьера, их взвешивание и дозировки, а также формирования груженых маршрутов на сеть железных дорог КТЖ и отправление их через станции примыкания.
Разъезды обеспечивают скрещение и обгон поездов и кроме того обмен поездов в забоях и на отвалах (фабриках). В последнем случае их называют обменными пунктами (ОП). Обменные пункты размещают на поверхности карьера, в пунктах примыкания наклонных траншей, на соединительных бермах рабочих горизонтов, а в отдельных случаях – на забойных (отвальных путях) (рис. 25.3).
Рисунок 25.3 Схема расположения обменных пунктов:
1 – на поверхности; 2 – в местах примыкания съездов к горизонтам; 3 – на соединительных бермах; 4 – на рабочих уступах
Конструкция съездов зависит от местоположения и интенсивности движения.
Простейший разъезд однопутного прямолинейного участка (при движении до 10 пар поездов в смену) имеет два пути: главный и приемо-отправочный (рис. 25.4, а).
Длина разъезда (м)
ℓр = ℓпол + 2ℓо (25.5) где ℓо – расстояние от начала стрелочного перевода до предельного столбика, м (в зависимости от ширины колеи и типа крестовины ℓо = 25 – 65 м; для крестовин 1/7 и 1/9 при р = 5.3 м ℓо равно 42 и 55 м).
При ℓпол = 180 м ℓр = 265 – 290 м при марках крестовин 1/7 и 1/9 и р = 5.3 м.
При движении от 10 до 20 пар поездов в смену в этих условиях может устраиваться трехпутный разъезд (рис. 25.4, б), длина которого (м)
ℓ`р = ℓпол + 2ℓо + d, (25.6) где d – продольное смещение путей между началами стрелочных переводов при попутной укладке, м (d = равно 45 и 62 м при крестовинах 1/7 и 1/9 и р = 5.3 м.
При ℓпол = 180 м ℓ`р = 310 – 350 м при марках крестовин 1/7 и 1/9.
Схемы путевого развития разъездов в пунктах примыкания траншейных путей (съездов) к путям рабочих горизонтов (называются также постами примыкания) зависят от:
назначения разъездов – только для скрещения и обмена поездов (промежуточные разъезды) или также для изменения направления движения (тупиковые разъезды);
числа путей съездов, примыкающих к горизонту (одно- и двухпутные съезды), определяемого интенсивностью движения;
направления движения поездов; движения поездов на горизонтах и по съездам может быть попутным или непопутным, а в зависимости от конечных пунктов движения поездов различаются разъезды примыкания для обслуживания поездов, следующих только на данный горизонт, и разъезды, пропускающие такие поезда на нижележащие горизонты;
числа сторон примыкания на горизонте; примыкание может быть одно- или двухсторонним;
пошерстности примыкания: пошерстным является движение по стрелочному переводу от крестовины к стрелке, противошерстным – движение в обратном направлении; пошерстное движение является наиболее безопасным и поэтому позволяет увеличить скорость движения поездов, проходящих через разъезды без остановки;
необходимости предотвращения или ограничения числа враждебных маршрутов (т. е. маршрутов, проходя по которым поезда могут столкнуться).
Рисунок 25.4 Конструктивные схемы разъездов:
І, ІІ, ІІІ – пути разъездов; 1 - 9 – стрелочные переводы; А, Б – направление движения соответственно на выше- и нижележащие горизонты; В, Г – направление движения на рассматриваемом горизонте; ℓпр – длина предохранительного тупика; ℓдоб – длина добавочного пути при телескопическом разъезде
На рисунке 25.4, в, г показаны схемы промежуточных разъездов в пунктах примыкания одно- и двухпутной наклонных траншей (съездов) к рабочим горизонтам карьера при отсутствии изменения направления движения поездов в пунктах примыкания (простая трасса). Полная длина таких разъездов:
ℓ″р = ℓпол + 2 ℓо + d1 + ℓс +Т; (25.7)
ℓ″`р = ℓпол + 2 ℓо + d +2d1 + 2 ℓс +2Т, ( 25.8) где d1 – расстояние между началами стрелочных переводов при встречной укладке, м (d1min = 6. 5 м); ℓс – длина стрелочного съезда, м (ℓс равна 58 и 70 м при марках крестовин 1/7 и 1/9 и р = 5.3 м); Т – тангенс вертикальной кривой, м ( Т = 30 – 40 м).
При = ℓпол = 180 м и марках крестовин 1/7 и 1/9 ℓ″р = 395 – 470 м, а ℓ″`р = 460 – 555 м.
На рисунке 25.4, д , е, приведены схемы тупиковых разъездов при однопутных съездах и примыкании противошерстном и пошерстном. Эти схемы обеспечивают обмен встречных поездов при движении их в направлениях от А к Б и от Б к А.
Схемы тупиковых разъездов усложняются при увеличении числа путей съездов (см. рис. 25.4, ж) и примыкании путей в одной горловине траншеи (рис. 25.4, з). При двухпутных съездах и движении 20 пар поездов в смену и более в тупиковых пунктах примыкания часто устраивают телескопические разъезды (рис. 25.4, и), полная длина которых в зависимости от конструкции составляет 380 – 600 м. Аналитические выражения для определения длины разъездов при различном их путевом развитии составляют аналогично вышеприведенным.
Путевые посты – раздельные пункты, предназначенные для регулирования движения поездов посредством их пропуска или отстоя. Посты оборудуются путевыми сигналами и обслуживаются дежурными (при отсутствии полу- и автоблокировки). Путевое развитие поста зависит от местоположения, наличия и вида пункта примыкания, числа путей в нем, направления и числа сторон примыкания.
Простейшие посты, не имеющие путевого развития, устраивают на главных путях при разделении перегона на блок-участки (рис. 25.5, а). Посты примыкания путей наклонных траншей (съездов) к одному или двум путям, расположенных у ее подошвы, оборудуются предохранительными тупиками, длина которых в обычных условиях ℓпр = 30 – 50 м (рис. 25.5, б, в; тупики ІІ, ІІІ). Предохранительные тупики имеют не только посты, но также станции и разъезды, расположенные в конце затяжных спусков. Промежуточные посты примыкания траншейных путей к одному или двум путям рабочего горизонта оборудуются двумя предохранительными тупиками (рис. 25.5, г, д ; тупики ІІ и ІІІ, ІІІ и ІV).
Путевое развитие тупиковых постов примыкания траншей к рабочим горизонтам зависит, как и у тупиковых разъездов, от наличия попутности и пошерчтности примыкания (противошерстное и пошерстное, рис. 25.5, е, ж), числа сторон примыкания (одностороннее – рис. 25.5, е, ж; двухстороннее – рис. 25.5, з), числа путей съездов и числа путей на горизонте (рис. 25.5, и), возможности ограничения числа враждебных маршрутов.
Если принять, что съезд с вышележащего на рассматриваемый горизонт распложен слева (см. рис. 25.4, 25.5) в общем случае враждебными являются маршруты: по приему груженого поезда со стороны «левого» перегона рабочего горизонта, примыкающего к раздельному пункту; по отправлению груженого поезда, прибывшего с рабочего горизонта; по приему порожнего поезда на «правый» перегон рабочего горизонта. Число враждебных маршрутов (один или несколько), как можно убедится из указанных рисунков, зависит от схемы путевого развития поста (разъезда) примыкания.
Полная длина постов определяется, как и у разъездов, суммированием длины предохранительного тупика или полезной длины приемоотправочного пути и длины соответствующих стрелочных переводов или съездов и вставок между ними. Она составляет при крестовинах 1/7 и 1/9 для приведенных на рисунке 25.5 схем путевых постов: б – 92 и 105 м; в – 115 – 155 м; г – 123 и 165 м; д - 180 и 240 м; е – 270 и 300 м; ж – 290 и 320 м; з – 316 и 360 м; и – 190 и 250 м (при ℓпол =180 м и ℓпр =50 м).
Специальным вопросом карьерного транспорта является обоснование выбора схемы развития путей, числа и места расположения раздельных пунктов по техническим и экономическим факторам применительно к грузопотокам и организации движения поездов.
Рисунок 25.5 Конструктивные схемы путевых постов