Силы, действующие на поезд

1.

ЛЕКЦИЯ 3.
СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА
ПОЕЗД.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Силы, действующие на поезд
Силой тяги называют управляемую движущую силу, создаваемую
двигателями тяговой передачи локомотива во взаимодействии с
рельсами и приложенную к ободам движущих колес в направлении
движения поезда.
Сила тяги, как управляющее воздействие, может изменяться:
• машинистом
• либо в результате саморегулирования тяговых передач локомотивов,
обладающих свойством адаптивности,
• либо автоматическим устройством - автомашинистом.

9.

Силы, действующие на поезд
• Силой сопротивления называют совокупность всех неуправляемых сил,
возникающих в процессе движения, приведенных к ободам колес
поезда и направленных против движения.

10.

Силы, действующие на поезд
• Тормозной силой называют совокупность управляемых сил,
создаваемых тормозными средствами поезда во взаимодействии с
рельсами и приложенных к ободам колес в направлении,
противоположном движению. Действие этой силы регулируется
машинистом или автоматическим устройством.

11.

Силы, действующие на поезд
• При неравномерном движении поезда действуют также силы инерции
(И) поступательно движущихся масс и вращающихся масс поезда, на
преодоление которых затрачивается работа силы тяги или тормозной
силы. Однако при определенных условиях кинетическая энергия этих
сил может преобразовываться без потерь в работу по передвижению
поезда.

12.

13.

Силы, действующие на поезд
В зависимости от сочетания рассмотренных сил различают режимы
движения поезда:
режим тяги, когда действуют силы (Fк - Wк + И),
режим торможения, когда действуют (ВТ ± Wк - И),
режим холостого хода, когда действуют силы
(И - Wк).
Соотношения величин сил, составляющих равнодействующую поезда,
определяет характер движения:
при (Fк - Wк - И) > 0 - движение ускоренное;
при (Fк - Wк - И) < 0 - движение замедленное;
при (Fк - Wк) = 0 - движение равномерное.

14.

Характеристика сил, действующих на поезд
На движущийся поезд действует много сил, разнообразных по величине и
направлению. Условно их можно разделить на внутренние и внешние.
Внутренние силы, действующие между отдельными единицами подвижного
состава, а также силы тяги, тормозные и силы сопротивления движению
уравновешиваются внутри системы и не могут без внешних сил осуществлять
движение поезда.

15.

К внешним силам, действующим на поезд, относятся силы
реакции пути в точках взаимодействия колес и рельс на
внутренние силы, без которых невозможно получить силу тяги
локомотива, реализовать движение и тормозные силы при
торможении.
.

16.

Силой тяги локомотива и силами торможения поезда управляет машинист,
поэтому эти силы называются управляемыми.
Силами сопротивления движению поезда и внешними силами машинист
управлять не может, поэтому их называют неуправляемыми.
С целью изучения влияния действующих сил на движение поезд представляют в
виде материальной точки, в которой сосредоточена вся его масса. Такая замена
не вносит большой погрешности в расчеты определения характера движения
поезда. Если же поезд рассматривают как механическую систему, а не
материальную точку, то все действующие силы на движение относят к точкам
взаимодействия колесных пар с рельсами, так как только в них возникают
внешние силы.

17.

18.

19.

Силы, действующие на поезд.
Силы, действующие вдоль оси пути по направлению движения
поезда, называют движущими силами, а силы встречного
направления – силами сопротивления движению поезда.
Сопротивление движению поезда W – это эквивалентная сила,
объединяющая все силы, противодействующие движению поезда.
Масса поезда, скорость движения, расход электроэнергии зависит
от сопротивления движению поезда. Сопротивление движению
поезда условно делят на три составляющие.

20.

КЛАССИФИКАЦИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ ПОЕЗДА

21.

1. Основным сопротивлением движению поезда Wо называют
силы, препятствующие движению подвижного состава по прямому
горизонтальному пути на открытой местности при нормальных
метеоусловиях с любой допустимой скоростью.
2. Дополнительное сопротивление Wд существует на подъемах и
кривых участках пути, зависит от плана и профиля пути. Работа,
затраченная на преодоление силы тяжести при движении на подъем,
идет на увеличение потенциальной энергии поезда и может быть
полезно использована, если вслед за подъемом следует спуск.
3. Добавочное сопротивление Wдоб возникает при особых условиях
движения поезда (при трогании с места, движение в тоннеле, особо
неблагоприятная погода).

22.

Полное сопротивление движению поезда равно сумме
этих трех составляющих.
W=Wо+Wд+Wдоб
Силы сопротивления движению измеряют в ньютонах (Н).

23.

Основное сопротивление движению.
–
–
–
–
сопротивление подвижного состава:
трение буксовых подшипников,
трение в элементах тягового привода,
инерция вращающихся масс.
–
–
–
–
сопротивление пути:
трение качения колес о рельсы,
трение скольжения колес о рельсы,
деформация пути и удары на стыках и неровностях.
– сопротивление окружающей среды

24.

Дополнительное сопротивление
–сопротивление от уклонов,
–сопротивление от кривых,
–сопротивление при особых условиях движения поезда.
Добавочное сопротивление
Wдоб возникает при особых условиях движения поезда (трогании
с места, движение в тоннеле, особо неблагоприятная погода):
■ от ветра;
■ от низкой температуры;
■ от тоннелей;
■ от подвагонных генераторов пассажирских вагонов

25.

Силы,
противодействующие
движению
поезда,
пропорциональны его весу. Поэтому для расчетов удобно
использовать отношение сопротивления движению
поезда W к его весу (mэ+mв)g:
ω = W/(mэ+mв)g
Где
mэ и mв - соответственно масса электровоза и вагонов, т,
g – ускорение, м/с2.
Величину ω называют удельным сопротивлением
движению и измеряют в Н/кН (ньютон на килоньютон,
т.е. на 1000 Н).

26.

Удельные силы сопротивления движению.
Силы сопротивления движению поезда определяются силами
трения и тяжести, которые пропорциональны весу поезда.
m = (P + Q) * g,
где:
m – вес поезда, кг
P – масса локомотива, кг,
Q – масса вагонов, кг,
g – ускорение свободного падения (9,81 м/с2),

27.

Учитывая, что 1 кгс = 9,81 Н, можно сделать вывод, что вес состава
[тс] численно равен массе [т].
Почти все силы, противодействующие движению поезда,
пропорциональны его весу, поэтому для удобства выполнения
расчетов используют отношение сопротивления движения к его
весу.
W
Н
(P Q) * g кН

28.

Удельное сопротивление движению поезда определяется
отдельно для локомотивов и вагонов:

29.

Сопротивление от взаимодействия подвижного состава и пути
создается силами, возникающими при перекатывании колеса по
рельсу. Под действием приложенной к колесу вертикальной
нагрузки от веса подвижного состава рельс несколько
прогибается, и образующееся при этом углубление препятствует
движению колеса. Сопротивление качению колеса можно
уменьшить, увеличивая жесткость пути. Это достигается
повышением твердости поверхностей рельса и колеса,
применением более тяжелых рельсов, уменьшением расстояния
между шпалами.

30.

КОЛЕСНАЯ ПАРА И РЕЛЬС

31.

Сопротивление подвижного состава.
Сопротивление пути:
– трение качения колес по рельсам:
W
2
3 кгс
к
* 10 [
]
P0 Dк
т
Принимается: к = 0.2 ÷ 0.4 кгс/т
–
трение скольжения колес по рельсам:
Принимается: ск = 0.2 ÷ 0.4 кгс/т
Деформация пути и удары по стыкам:
Принимается: деф = 0.3 ÷ 0.6 кгс/т

32.

33.

Удельное сопротивление качению колеса по рельсу в
среднем составляет всего 0,3 Н/кН и практически не
зависит от скорости движения.
Поверхность катания железнодорожных колес имеет
коническую форму с наклоном 1/20. Это необходимо для
того, чтобы износ колес был равномерным без
образования желоба. Однако, коническая форма
поверхности катания является причиной частичного
проскальзывания колес при качении. Проскальзывание
колес ведет к увеличению сопротивления пути.

34.

Сопротивление от сил трения в подвижном составе
обусловлено трением в буксовых подшипниках. Эта
составляющая основного сопротивления движению
является наиболее существенной при малых скоростях
движения.
Все
электровозы,
электропоезда
и
пассажирские вагоны, а также часть грузовых, имеют
роликовые буксовые подшипники, которые изготовлены с
большой
точностью
из
высококачественных
износоустойчивых сортов стали. Они создают небольшое
сопротивление движению (0,1-0,2 Н/кН), надежны в
работе и не требуют повседневного ухода.

35.

36.

Основное сопротивление складывается из:
■ сопротивления от трения в буксовых подшипниках;
■ сопротивление от трения качения колёс по рельсам;
■ сопротивление от трения скольжения колёс по рельсам;
■ рассеяния энергии при взаимодействии колёс с рельсами (потеря
энергии на стыках и неровностях пути, упругая деформация рельсов
и шпал);
■ сопротивления воздушной среды;
■ рассеяния энергии в окружающую среду при вертикальных
колебаниях подрессоренных частей подвижного состава и рывках по
длине поезда.

37.

На электровозах и моторных вагонах необходимо учитывать также силы
трения в элементах тягового электропривода (зубчатая передача, моторноосевые подшипники). При движении электровоза с работающими тяговыми
электродвигателями эти силы учитываются соответствующим снижением
силы тяги. При движении электровоза или моторного вагона без тока (на
холостом ходу) трение в элементах тягового электропривода приходится
учитывать дополнительно. Поэтому расчетное значение удельного
сопротивления движению электровоза на холостом ходу ωх примерно на 0,5
Н/кН выше, чем при движении под током.

38.

Сопротивление воздушной среды является результатом взаимодействия
движущегося поезда с окружающим его воздухом. Непосредственно перед
лобовой поверхностью локомотива создается зона повышенного давления.
Воздух из этой зоны обтекает движущийся поезд вдоль его боковых поверхностей.
В промежутках между вагонами, в подвагонном пространстве и за хвостовым
вагоном образуются зоны пониженного давления, и туда устремляется
окружающий воздух, образую завихрения. Работа, затраченная на перемещение
воздушных масс, связана с увеличением их кинетической энергии и поэтому
пропорциональна квадрату скорости движения поезда. В конечном счете, эта
работа расходуется на преодоление трения между наружной поверхностью
движущегося поезда и окружающим воздухом, а также между слоями воздуха,
перемещающимися с различными скоростями. При скорости движения до 40 км/ч
сопротивление воздушной среды составляет незначительную часть общего
сопротивления движению. По мере увеличения скорости поезда эта оставляющая
возрастает и при скорости движения около 200 км/ч и выше практически равна
основному сопротивлению движению поезда.

39.

Сопротивление воздушной среды:
–лобовое,
–межвагонное,
–кормовое,
–боковое,
–подвагонное.

40.

Расчет основного сопротивления движению.
Формулы для расчета устанавливаются на основе результатов многочисленных
испытаний подвижного состава в различных условиях. Это вызвано существенным
влиянием факторов, которые нельзя точно рассчитать теоретически. К ним
относятся состояние пути и подвижного состава, степень износа трущихся деталей,
качество смазывания. Результаты опытов обычно представляют в виде графиков,
которые отражают зависимость удельного сопротивления движению ω
определенного типа подвижного состава от скорости v.
Для удобства расчетов подбирают формулы, которые дают достаточно хорошее
совпадение с результатами опытных поездок.
Эмпирические формулы для удельного основного сопротивления движению
электровозов, электропоездов и некоторых типов грузовых вагонов имеют вид:
ω = a+bv+cv²
где a, b, c – коэффициенты, полученные из опытных данных, зависящие от типа
подвижного состава и режима его работы.

41.

2. Дополнительное сопротивление Wд
Дополнительными
сопротивлениями
называют
временно действующие силы, возникающие в
конкретных условиях эксплуатации подвижного состава:
■ от уклона профиля пути;
■ от кривизны пути;

42.

Дополнительное сопротивление движению поезда от уклонов.
Кроме силы тяги и сил трения на поезд действует еще сила тяжести,
направленная вертикально вниз. Проекция силы тяжести поезда (mэ+mв)g на
направление его движения называется дополнительным сопротивлением
движению от уклонов и имеет вид
Wi = (mэ+mв)g sin α
Где α – угол между силой тяжести и перпендикуляром к плоскости рельсов,
равный углу наклона участка пути.
На подъемах (α > 0) сила Wi положительна и действует навстречу
движению поезда.
На склонах (α < 0) сила Wi отрицательна и направлена по направлению
движения поезда. На горизонтальных участках пути (α = 0) Wi = 0.

43.

Дополнительное удельное сопротивление движению в
кривых участках пути
Оно возникает по следующим причинам:
■ колёса одной колёсной пары проходят разный путь по
наружному и внутреннему рельсу (конусность бандажей
уменьшает эту разницу), что приводит к увеличению
проскальзывания колёс;
■ за счёт действия центробежной силы гребни колёс
прижимаются к внутренней боковой грани наружного
рельса, что увеличивает силу трения скольжения;

44.

тележки
подвижного
состава
поворачиваются
относительно оси кузова, в результате чего в опорах,
шкворневых устройствах и буксах возникают силы трения
скольжения.
Из-за сложности учета всех факторов используют
эмпирические формулы:
■
– Если Lп ≤ Sкр :
Если Lп > Sкр :

45.

Расположение колесных пар и тележки на прямом и
кривом участках пути

46.

Когда электровоз движется по прямолинейному участку
пути, оси всех колесных пар располагаются параллельно
друг другу и перпендикулярно оси пути, а продольные
оси тележек 2 совпадают с продольной осью кузова 3.
Благодаря конической форме бандажей колесная пара
занимает в рельсовой колее среднее положение, при
котором гребни бандажей 4 не касаются боковых граней
рельсов 5.

47.

При движении локомотива и вагона по кривой гребни
бандажей 4 прижимаются к внутренней грани наружного
рельса 5.
При входе подвижного состава в кривую и при выходе из
нее тележка поворачивается относительно кузова на угол
«p».
Дополнительные силы трения, вызванные этими
явлениями, возрастают с уменьшением радиуса кривой.
Сопротивление движению от кривых Wr всегда
положительно в отличие от Wi, которое может быть как
положительно, так и отрицательно.

48.

3. Добавочное сопротивление Wдоб возникает при
особых условиях движения поезда (трогании с места,
движение в тоннеле, особо неблагоприятная погода):
■ от ветра;
■ от низкой температуры;
■ от тоннелей;
■ от подвагонных генераторов пассажирских вагонов.
***

49.

Сопротивление при особых условиях
движения поезда:
– при трогании с места:
–в
тоннелях:
– от ветра:

50.

Добавочное
удельное
сопротивление
движению,
вызванное действием лобового или бокового ветра
определяется в долях от основного удельного
сопротивления при помощи коэффициента Кв.
ωB = (Кв -1) ω 0.
Коэффициент Кв определяется по таблицам или
номограммам и зависит от скорости ветра, скорости
движения подвижного состава и плотности воздуха.

51.

Добавочное удельное сопротивление движению от низкой
температуры наружного воздуха учитывается при
температурах ниже -25 °С при помощи коэффициента Кнт.
При низких температурах наружного воздуха повышается
его
плотность,
увеличивая
аэродинамическое
сопротивление движению, повышается вязкость смазки в
буксовых и моторноосевых подшипниках, увеличивая силы
трения в них.
WHT = (Кнт — 1) ω 0
Коэффициент Кнт определяется по таблицам в зависимости
от скорости движения поезда и температуры наружного
воздуха.

52.

Добавочное удельное сопротивление от движения в
тоннелях возникает вследствие увеличения лобового
сопротивления, эффекта разрежения в хвостовой части
поезда и возникновения турбулентности между стенками
тоннеля и поездом.
ω Т = Кт ω 0 .
Коэффициент Кт зависит от скорости движения поезда и
числа путей в тоннеле. В двухпутном тоннеле
сопротивление движению воздушной среды значительно
меньше, чем в однопутном.

53.

Добавочное сопротивление от подвагонных генераторов
пассажирских вагонов учитывают при скоростях движения
20 км/ч и выше.
ω пг=1360 Р҆´҆ /q0v
где Р' — средняя условная мощность подвагонного
генератора.
Добавочное сопротивление при трогании с места для
подвижного состава на подшипниках качения

54.

Расчет полного сопротивления движению поезда.
Полное сопротивление движению поезда определяют по формуле
W=Wо+Wд+Wдоб
Основное сопротивление движению поезда равно сумме основных
сопротивлений движению электровоза и вагонов. Дополнительное
сопротивление движению учитывают как сумму сопротивлений
движению от уклона и кривых, а добавочное сопротивление – по
специальным нормам только при особых условиях движения
поезда.

55.

Полное сопротивление движению:

56.

Подставляя в формулу выражения, имеем :
W = mэ g ω’ + mв g ω” + (mэ+mв)g (i + ωR).
Из формулы видно, что полное сопротивление движению зависит
от типа подвижного состава, веса поезда, профиля и плана линии.
Скорость движения поезда не входит в формулу, но оказывает
существенное влияние на значение W через зависимость ω’0 (v) и
ω” (v). Первые два слагаемых зависят от скорости движения и
определяют полное сопротивление движению поезда на прямом и
горизонтальном участке пути (i=0, Wr =0).

57.

Основное сопротивление движению электровоза W’o составляет 2-5%
основного сопротивления движению грузового состава. Поэтому при
движении поезда на площадке определяющим является второе
слагаемое mВgw”.
Третье слагаемой в формуле не зависит от скорости движения. На
подъемах эта величина положительна, а на спусках отрицательна.
Переходя к удельным сопротивлениям:
имеем:
под током
без тока

58.

Мероприятия по уменьшению сопротивления
движения поезда.
Мероприятия по уменьшению сопротивления
движению поезда:
– мероприятия по использованию состава и пути,
– мероприятия по модернизации, реконструкции и
проектировании подвижного состава и участков пути.

59.

Мероприятия по уменьшению сопротивления
движения поезда.
–
–
–
–
–
–
–
Мероприятия по использованию состава и пути:
полная загрузка вагонов (снижается удельное сопротивление
движению поезда и сопротивление на 1 т. массы
перевозимого груза),
правильное формирование составов,
закрытие дверей и люков в составе,
регулировка тормозов,
уход за смазкой подшипников,
надлежащее содержание верхнего строения пути,
сокращение времени стоянки поезда (облегчение условий
трогания, особенно в зимний период).

60.

Мероприятия по уменьшению сопротивления
движения поезда.
Мероприятия по модернизации, реконструкции и
проектировании подвижного состава и участков пути:
– создание обтекаемых форм подвижного состава,
– укладка безстыкового пути,
– реконструкция пути (изменение плана и профиля пути).

61.

Сила тяги
Сила тяги локомотива в зависимости от скорости
определяется по тяговым характеристикам, которые
строятся для новых бандажей в соответствии с
характеристиками тяговых двигателей, снятыми на стенде
или при эксплуатационных испытаниях. Сила тяги
локомотива не может превосходить силы сцепления
ведущих колёс локомотива с рельсами.
где Fk — сила тяги; Р — «сцепной» вес локомотива (сумма
нагрузок на рельсы от всех ведущих колёс); ψ —
коэффициент сцепления.

62.

63.

Каждая движущая колесная пара электровоза имеет отдельный тяговый
двигатель, который связан с ней зубчатым редуктором (рис. 3, а). Малое
зубчатое колесо редуктора насажено на вал тягового двигателя, а большое на ось колесной пары. Отношение числа зубьев большого колеса к числу
зубьев малого (шестерни) называют передаточным отношением i. Если
пустить в ход тяговый двигатель, то на его валу создается вращающий
момент. Частота вращения колесной пары будет в i раз меньше частоты
вращения вала двигателя, зато вращающий момент соответственно в i раз
больше (если не учитывать коэффициент полезного действия зубчатой
передачи).

64.

Рис. 3. Образование силы тяги (а) и тормозной силы (б)

65.

Рассмотрим условия, необходимые для того, чтобы электровоз начал
двигаться.
Если бы колеса электровоза не касались рельсов, то после пуска тяговых
двигателей они бы просто вращались, например, по часовой стрелке (см.
рис. 3). Но так как колеса локомотива соприкасаются с рельсами, то при
передаче осям вращающих моментов М между поверхностями колес и
рельсами возникает сила сцепления.
Попутно отметим, что первоначально при зарождении железных дорог
вообще сомневались в возможности создания необходимой силы тяги при
обычных профилях колес и рельсов. Поэтому были попытки создать зубчатое
зацепление между колесами паровоза и рельсами. Был даже построен
локомотив, который передвигался по рельсам с помощью специальных
устройств, поочередно отталкивающихся от пути. К счастью, эти сомнения не
оправдались.

66.

Сила сцепления на поверхности каждого колеса (бандажа) Fб направлена в
сторону, обратную вращению последнего, а на рельсах Fp - в сторону вращения
бандажа.
Величина Fб - сила реакции рельсов или внешняя сила, заставляющая
электровоз перемещаться. Эта сила реактивная; ее абсолютное значение
изменяется в зависимости от приложенного момента М.
В месте соприкосновения колеса с рельсом имеются две точки, одна из
которых принадлежит бандажу Аб, а другая рельсу Ар. У электровоза, стоящего
неподвижно, эти точки сливаются в одну. Если в процессе передачи колесу
вращающего момента точка Аб получит относительно точки Ар горизонтальное
смещение, то в следующее мгновение с точкой Ар начнут поочередно
соприкасаться точки бандажа Бб, Вб и т. д.

67.

Наличие взаимной горизонтальной скорости точек Аб и Ар называется
боксованием, вследствие чего локомотив не получит поступательной скорости
или она резко смещается, когда электровоз вместе с составом движется.
В случае когда точки Ар и Аб не имеют взаимной горизонтальной скорости, в
каждый последующий момент времени они теряют контакт, но одновременно
непрерывно будут возникать новые контакты следующих точек: Бб с Бр, Вб с Вр
и т. д.
Точка контакта колеса и рельса представляет собой мгновенный центр
вращения. Вполне очевидно, что скорость, с которой перемещается вдоль
рельсов мгновенный центр вращения, равна поступательной скости локомотива.

68.

Для осуществления движения электровоза необходимо, чтобы сила сцепления
в точке касания колеса и рельса Fб, равная но противоположная по
направлению силе Fp, имела бы значение, не превышающее некоторого
предельного. До достижения его сила Fб создает свой реактивный момент
FбR, который по условию равновесия должен равняться действующему
моменту FбR = M.
Сумма сил сцепления в точках касания всех колес электровоза дает общую
силу, называемую касательной силой тяги FК. Нетрудно представить, что
имеется некоторая максимальная сила тяги, ограничиваемая силами
сцепления, при которой еще не происходит боксования.

69.

Возникновение силы сцепления несколько упрощенно можно объяснить
следующим образом. На кажущихся гладкими поверхностях рельсов и колес
имеются неровности. Так как площадь соприкосновения (контактная
поверхность) колеса и рельса очень мала, а нагрузка от колес на рельсы
значительна, то в месте контакта возникают большие давления. Неровности
колеса вдавливаются в неровности на поверхности рельса, в результате чего
происходит сцепление колеса с рельсом.
Установлено, что сила сцепления прямо пропорциональна силе давления нагрузке от всех движущихся колес на рельсы. Эту нагрузку называют сцепным
весом локомотива.

70.

Для подсчета наибольшей силы тяги, которую может развить локомотив, не
превышая силы сцепления, кроме сцепного веса, необходимо еще знать
физический коэффициент сцепления. Умножив сцепной вес локомотива на этот
коэффициент, определяют силу тяги. Следовательно, физический коэффициент
сцепления является коэффициентом пропорциональности между сцепным
весом и наибольшей силой тяги.
Изучению проблемы максимального использования силы сцепления колес с
рельсами посвящены работы многих ученых и практиков. Окончательно она не
решена и до настоящего времени.

71.

Чем же определяется значение этого коэффициента? Прежде всего он зависит от
материала и состояния соприкасающихся поверхностей, формы бандажей и
рельсов. С повышением твердости бандажей колесных пар и рельсов коэффициент
сцепления увеличивается. При мокрой и загрязненной поверхности рельсов
коэффициент сцепления ниже, чем при сухой и чистой. Влияние состояния
поверхности рельсов на коэффициент сцепления можно проиллюстрировать
следующим примером. "Улитки против паровоза" сообщалось о том, что один из
поездов в Италии был вынужден остановиться на несколько часов. Причиной
задержки оказалось огромное количество улиток, переползающих через
железнодорожное полотно. Машинист пытался провести поезд через эту
движущуюся массу, но безуспешно: колеса боксовали и он не мог сдвинуться с
места. Лишь только тогда, когда поток улиток поредел, поезд смог тронуться.

72.

Физический коэффициент сцепления зависит также от конструкции электровоза
- устройства рессорного подвешивания, схемы включения тяговых двигателей,
их расположения, рода тока, состояния пути (чем больше деформируются
рельсы или проседает балластный слой, тем ниже реализуемый коэффициент
сцепления) и других причин. Как влияют эти причины на реализацию силы тяги,
будет рассказано в соответствующих параграфах книги. Коэффициент сцепления
зависит также от скорости движения поезда: в момент трогания состава он
больше; с возрастанием скорости реализуемый коэффициент сцепления сначала
несколько увеличивается, затем падает. Как известно, значение физического
коэффициента сцепления изменяется в широких пределах - от 0,06 до 0,5.
Вследствие того, что физический коэффициент сцепления зависит от многих
причин, для определения максимальной силы тяги, которую может развивать
электровоз без боксования, пользуются расчетным коэффициентом сцепления
ψ К.

73.

Этот коэффициент представляет собой отношение наибольшей силы тяги,
надежно реализуемой в условиях эксплуатации, к сцепному весу локомотива.
Расчетный коэффициент сцепления определяют по эмпирическим формулам,
полученным на основании многочисленных исследований и опытных поездок
с учетом достижений передовых машинистов.
За время применения электрической тяги в СССР расчетный коэффициент был
увеличен с 0,18 до 0,25 для электровозов постоянного тока и до 0,26 для
электровозов переменного тока, т. е. почти в 1,5 раза. Так, для электровоза
ВЛ10, сцепной вес которого Р = 184 тс, касательная сила тяги FK с учетом
расчетного коэффициента будет
FK = Р ψк = 184 · 0,25 = 46 тс.

74.

Если поверхность рельсов загрязнена и коэффициент сцепления понизился,
допустим до 0,2, то сила тяги FK составит 36,8 тс. При подаче песка этот
коэффициент может возрасти до 0,33, при этом FK = 60,7 тс.
Очень важно обеспечить при трогании и движении наибольший коэффициент
сцепления: чем он выше, тем большую силу тяги может реализовать электровоз,
тем большей массы состав можно будет вести.

75.

Условия реализации силы тяги.

76.

Сила Gо, равная силе тяжести электровоза, деленной на
число осей, прижимает колесную пару к рельсам.
Вертикальная реакция рельсового пути на колесную пару
G’о равна по значению силе Gо и противоположна по
направлению.
Вращающий момент, который передается от тягового
электродвигателя
через
зубчатую
передачу
и
определяется формулой
Mk= M μή 3

77.

Где М – вращающий момент на валу тягового
электродвигателя, μ - передаточное число зубчатой
передачи, ή 3 – коэффициент полезного действия зубчатой
передачи электровоза, который можно принимать равным
0,975.
Сила сцепления рельса с колесом F2, приложенная к рельсу
в точке его касания с колесом, стремится сдвинуть рельс по
направлению вращения колеса. Но рельсы остаются
неподвижными, так как они надежно закреплены.

78.

Сила сцепления колеса с рельсом F, приложенная к ободу
колеса в точке его касания с рельсом, препятствует
проскальзыванию колеса по рельсу.
F = 2Mk/Dk.
Силу F называют силой Тяги, отнесенной к ободу колеса.
Поступательное движение электровоза происходит под
действием силы F3, F4 - реакция буксы . Электровоз
тронется с места, если сила F будет больше силы
сопротивления движению поезда W, которая приложена к
автосцепке. С учетом формулы условие трогания поезда с
места имеет вид F > W.

79.

Максимально возможное значение силы сцепления
колесной пары с рельсом Fсц прямо пропорционально
силе нажатия колесной пары на рельс и определяется
формулой
Fсц = ψ mэо g
Коэффициент пропорциональности ψ между силой
нажатия колесной пары на рельсы mэо g и максимальной
силой сцепления колеса с рельсом Fсц называется
коэффициентом сцепления. Здесь масса mэо – масса
электровоза, приходящаяся на одну движущуюся ось.

80.

Коэффициент сцепления зависит от материала колеса и
рельса, состояния их поверхностей, а также от скорости
движения электровоза. При наличии смазочного
материала или грязи на поверхности рельса или колеса
коэффициент сцепления заметно снижается. Если
попытаться реализовать силу тяги F > Fсц, то произойдет
смятие шероховатостей и перекатывание колеса будет
сопровождаться проскальзыванием его по рельсу. Это
явление называется боксование.

81.

Сила тяги электровоза.
Если силу тяги электродвигателя F, отнесенную к ободу
колеса, умножить на число тяговых электродвигателей
Nд, то получим силу тяги электровоза :
Fк = Nд F
Электровозы обычно имеют 6, 8 и 12 тяговых
электродвигателей, каждый из которых приводит во
вращение отдельную колесную пару. Максимально
возможная сила тяги электровоза, которая реализуется по
условиям сцепления колес с рельсами Fксц = NдFсц

82.

Fксц = Nд ψ mэо g = ψк mэо g
Где mэо g = NдGo – вес электровоза,
ψк – коэффициент сцепления электровоза.
Поскольку вес электровоза обеспечивает создание
силы сцепления, то величину mэо g называют сцепным
весом.

83.

Электровоз тоже оказывает некоторое сопротивление движению W', которое
вычисляется по эмпирическим формулам, полученным для различных серий
локомотивов. Учитывая это обстоятельство, кроме касательной силы тяги
электровоза, вводят понятие силы тяги на автосцепке Fn (рис. 4); Fn = FK - W"
при условии равномерного движения, где W" - сопротивление движению
состава*. Во время ускоренного движения разность между касательной силой
тяги и силой тяги на автосцепке возрастает, так как часть силы FK идет на
создание ускорения локомотива.

84.

Рис. 4. Силы, действующие на поезд в режиме тяги

85.

В процессе ведения поезда для уменьшения скорости, остановки или для
поддержания его постоянной скорости на спусках применяют тормоза,
создающие тормозную силу В. Тормозная сила образуется вследствие трения
тормозных колодок о бандажи колес (механическое торможение) или, при
работе тяговых двигателей в качестве генераторов. В результате прижатия
тормозной колодки к бандажу силой К (см. рис. 3, б) на нем возникает сила
трения Т = φКК, где φК - коэффициент трения. Благодаря этому образуется сила
сцепления В на бандаже в точке его соприкосновения с рельсом, равная силе Т.
Сила сцепления В является тормозной: она препятствует движению поезда.

86.

Максимальное значение тормозной силы определяется теми же условиями,
что и силы тяги FK. Для избежания юза (скольжения без вращения колес по
рельсам) при торможении должно быть выполнено условие Т = φКК < Вmах
или φКК < φКР.
Коэффициент трения тормозных колодок о бандаж зависит от скорости
движения, удельного нажатия колодок на колесо и их материала. Этот
коэффициент с повышением скорости и удельного нажатия уменьшается
вследствие повышения температуры трущихся поверхностей. Поэтому
применяют двустороннее нажатие на колеса при торможении.
В зависимости от приложенных к поезду сил различают три режима движения
поезда: тяга (движение под током), выбег (без тока), торможение.

87.

В момент трогания и в период дальнейшего движения под током на поезд
действуют сила тяги FК и сопротивление движению поезда W. Характер
изменения скорости в зависимости от времени на участке кривой ОА (рис. 5)
будет определяться разностью сил FK и W, называемой ускоряющей силой тяги.
Чем больше эта разность, тем больше ускорение поезда. Сопротивление
движению, как уже было отмечено, величина переменная, зависящая от
скорости. С увеличением скорости она возрастает. Поэтому если сила тяги
неизменна, то ускоряющая сила тяги будет уменьшаться. После некоторой
точки 0' сила тяги несколько уменьшается. Затем наступает такой момент, когда
FK = W и поезд под током будет двигаться с постоянной скоростью (участок
кривой АБ).

88.

Рис. 5. Кривая изменения скорости при движении поезда на перегоне

89.

Далее машинист может отключить двигатели, т. е. осуществлять движение на
выбеге (участок БВ). При этом на поезд действует только сила сопротивления
движению W, снижающая его скорость, если поезд не движется по крутому
спуску. От точки В до точки Г на поезд действуют две силы - сопротивление
движению W и тормозная сила В, скорость поезда снижается. Сумма сил В и
W представляет собой замедляющую силу. Возможен и такой случай
движения, когда поезд движется по крутому спуску и машинист использует
тормозную силу для поддержания постоянной допустимой скорости.