Расхождение характеристик тяговых электродвигателей и диаметров колесных пар.

За счет расхождения характеристик тяговых электродвигателей различные движущие колесные пары развивают разные силы тяги. При прочих равных условиях колесная пара, которая развивает большую силу тяги, раньше потеряет сцепление с рельсами и начнет боксовать.

Увеличение диаметра колес увеличивает поверхность опорной площадки колеса на рельс и, как следствие, сцепление. Увеличение диаметра колес тепловозов с 1050 до 1250 мм может повысить силу сцепления на 10%. Напротив, прокат бандажей уменьшает площадь контакта, повышает давление в его зоне и снижает сцепление. Так, по опытам ВНИИЖТа при прокате бандажей в 7 мм сцепление снижается на 15%.

Разницу диаметров колесных пар и расхождений частот вращения тяговых электродвигателей (в пределах норм) компенсируют соответствующим их подбором. Разность диаметров колесных пар при выпуске локомотива из текущего ремонта ТР-3, не должна превышать 8 мм. Допустимые отклонения частот вращения якорей новых двигателей в соответствии с ГОСТ 2582-81 - ±3 %; при выпуске из ремонта (в соответствии с Правилами ремонта) - ±4 %.

Если быстроходный тяговый двигатель будет установлен на колесную пару с наибольшим диаметром колес, то на ее ободах будет развиваться наибольшая сила тяги по сравнению с остальными, и она первой будет терять сцепление. Неравномерность в реализуемых силах тяги разными колесными парами уменьшится, если на колесную пару с меньшим диаметром бандажей устанавливать быстроходные тяговые электродвигатели, а на колесные пары с большим диаметром - электродвигатели, имеющие меньшие частоты вращения.

] В то же время при одинаковых тяговых двигателях разность диаметров колес может существенно снизить результирующую силу сцепления. Так, при скорости 40 км/ч сила сцепления снижается на 7 % при расхождении диаметра колес на 1 мм.

 

6) Тип тягового привода. При индивидуальном приводе каждое колесо или колесная пара может боксовать независимо друг от друга, при групповом - возможно боксование или юз всех связанных друг с другом колесных пар. Следовательно, вероятность боксования при одной и той же силе тяги при индивидуальном приводе несколько выше, чем при групповом. [ТПДеев] По данным швейцарских, французских и югославских железных дорог применение группового привода повышает сцепление на 10 - 35 %.

 

7) Жесткость характеристик тяговых электродвигателей и схемы включения двигателей. При жестких характеристиках и параллельном включении тяговых электродвигателей возникшее боксование гасится быстрее. Например, при испытании английского электровоза, движущегося со скоростью 32 км/ч для прекращения боксования потребовалось снизить силу тяги на 13 % при параллельном, на 31 % при последовательно-параллельном и на 57 % при последовательном соединении двигателей.

 

8) Проскальзывание колес. Проскальзывания колесных пар возникают вследствие конусности бандажей и при разности диаметров колес одной колесной пары. На рис.3.2.5.2-2 показаны колеса, имеющие коническую форму рабочей поверхности, и рельсы, установленные с уклоном внутрь колеи (уклон равен 1/20). За счет коничности каждое колесо по ширине имеет разные диаметры, например D₂, D₃, D₄ (точки 2, 3 и 4). При качении по рельсу его части с разными диаметрами стремятся пройти разные расстояния. Т.к. на самом деле они проходят один какой-то средний путь, то неизбежно проскальзывание точек 2 и 4 колеса.

Рис.3.2.5.2-2. Влияние коничности бандажей и положения колесной пары в рельсовой колее на проскальзывание колес

Скольжение возрастает при разных диаметрах колес одной колесной пары. Даже в случае одинаковых диаметров колес смещение колесной пары в колее, например, до упора гребня левого колеса в рельс, приводит к качению левого колеса по большему диаметру D₁ (точка 1), а правого - по меньшему D₃. В результате левое колесо проходит больший путь и стремится забежать вперед, поворачивая колесную пару вокруг вертикальной оси. Однако такому повороту препятствуют буксовые направляющие колесной пары и гребень левого колеса. В результате чего колеса вынуждены проскальзывать.

Наибольшие проскальзывания возникают при качении колесной пары в кривых участках пути, когда по внешнему рельсу она должна пройти больший путь, чем по внутреннему. Здесь коничность бандажа в какой-то мере компенсирует разницу в длине проходимого пути вследствие прижатия колесной пары к внешнему рельсу и качения по нему колеса большим диаметром.

Проскальзывание колес в кривой возрастает с уменьшением ее радиуса и приводит к снижению сцепления. Оно снижается также при большом прокате колесных пар и износе рельсов.

9) Скорость движения локомотива. С возрастанием скорости движения локомотива уменьшаются площадь контакта колеса с рельсом, его продолжительность и, как следствие, силы межмолекулярного взаимодействия между ними, увеличиваются колебания всех частей локомотива, что вызывает периодические перегрузки и разгрузки колесных пар. Все это приводит к уменьшению сцепления колес с рельсами.

СИЛА ТЯГИ

КЛАССИФИКАЦИЯ СИЛ ТЯГИ

 

Сила тяги – управляемая внешняя сила, создаваемая двигателем локомотива во взаимодействии с рельсами и приложенная к движущим колесам локомотива в направлении его движения.

Любой локомотив можно рассматривать как преобразователь энергии во внешнюю работу силы тяги, причем в зависимости от его вида может иметь место несколько стадий преобразования и соответственно несколько преобразователей энергии.

Электрическая энергия, необходимая для питания электровозов, вырабатывается на стационарных электрических станциях и, после преобразования ее на подстанциях, подается по питающим проводам (фидерам) в контактную сеть. Из сети через токоприемник (пантограф) и различные электромагнитные устройства (электрические аппараты, полупроводниковые приборы и т.д.) электроэнергия поступает в тяговые электродвигатели. В электродвигателях электрическая энергия трансформируется во внутреннюю механическую работу вращения якорей (роторов) и зубчатых передач движущих колес. Затем эта внутренняя механическая работа в экипаже за счет сцепления колес с рельсами преобразуется во внешнюю механическую работу на ободе движущих колес, которая расходуется на передвижение электровоза.

В тепловозе источником энергии является подводимое к нему топливо. В двигателе внутреннего сгорания (дизеле) термохимическая энергия топлива превращается непосредственно во внутреннюю механическую работу на валу двигателя, которая затем при помощи передаточного механизма (электрического, гидромеханического, механического или какого-либо иного) трансформируется во внутреннюю работу вращения движущих колес и далее, как и в электровозе, преобразуется во внешнюю механическую работу на ободе движущих колес.

В паровозе, так же как и в тепловозе, источником энергии является топливо, забрасываемое периодически в топку. В паровозном котле термохимическая энергия топлива преобразуется в потенциальную энергию сжатого пара. Эта последняя в машине паровоза (в его паровых цилиндрах) превращается во внутреннюю механическую работу, которая при помощи шатунно-кривошипного механизма затрачивается на вращение движущих колес, и далее преобразуется во внешнюю механическую работу на ободе движущих колес.

Таким образом, во всех локомотивах существуют различные преобразователи энергии, причем, каждый из них может переработать определенное количество энергии. Наиболее совершенным является такой локомотив, все трансформаторы энергии которого имеют примерно одинаковую мощность, т.е. могут преобразовать одинаковое количество энергии; в противном случае меньший по мощности трансформатор энергии является ограничивающим. Например, сильно развитый котел паровоза по сравнению с мощностью паровой машины при достаточном сцепном весе не может быть признан целесообразным, ибо возможная паропроизводительность котла не будет полностью использована; следовательно, машина в данном случае ограничивает мощность такого паровоза. Напротив, если паровоз имеет недостаточно развитый котел, то мощность паровой машины и сцепной вес паровоза окажутся неиспользованными полностью, и котел будет ограничивать мощность паровоза.

В зависимости от стадий преобразования энергии, имеющих место в различных видах локомотивов, для них установлены следующие понятия о силе тяги.

В электровозах:

1) сила тяги по тяговым электродвигателям, соответствующая развиваемой этими двигателями мощности;

2) сила тяги по сцепному весу, или сила тяги по сцеплению.

Для электровозов не имеется ограничения силы тяги по генератору энергии, т.к. мощность электростанций позволяет снабжать электродвигатели энергией практически без ограничений.

В тепловозах:

1) сила тяги по дизелю;

2) сила тяги по передаточному механизму (передаче);

3) сила тяги по сцеплению.

В паровозах:

1) сила тяги по котлу, под которой подразумевается сила тяги при условии, что машина паровоза расходует в час определенное постоянное количество пара;

2) сила тяги по машине;

3) сила тяги по сцеплению.

Необходимо отметить, что для всех локомотивов наименьшая по своему значению сила тяги ограничивает использование мощности локомотива в целом. Поэтому очень важно в эксплуатации установить возможный максимум для силы тяги по каждому из указанных выше признаков, что обычно производится для каждого вида локомотива в виде соответствующих расчетных норм, помещаемых в ПТР.

Кроме указанной классификации, силу тяги локомотивов различают также по месту ее приложения:

1) индикаторная сила тяги F_i;

2) касательная сила тяги (действительная сила тяги, сила тяги на ободе движущих колес) F_к;

3) сила тяги на сцепке (полезная сила тяги) F_п;

4) динамометрическая сила тяги F_д.

Индикаторной силой тяги называется сила тяги, определяемая из условия, что ее работа за один оборот движущих колес равна механической работе за тот же оборот на валах тяговых двигателей электровоза, или полной работе (без потерь) газа в цилиндрах дизеля тепловоза, или пара в цилиндрах паровой машины паровоза.

Индикаторной она названа потому, что работа газа или пара в цилиндрах измеряется при помощи индикатора. Применительно к электровозу понятием об индикаторной силе тяги не пользуются, а его заменяют понятием электромагнитная сила тяги F_эм.

Действительным местом приложения индикаторной силы тяги являются для электровоза валы электродвигателей, для тепловоза и паровоза - поршни их двигателей. В теории тяги точка приложения индикаторной силы искусственно переносится с действительного места ее приложения на обод движущих колес. При этом предполагается, что такой перенос совершается без всяких потерь, которые неизбежно имеют место в передаточных механизмах всех видов локомотивов: в электровозах - в зубчатой передаче, в тепловозах - в электрической, гидравлической или механической передаче, и в паровозах - в шатунно-кривошипном механизме. Таким образом, при производстве расчетов по индикаторной силе тяги в полное сопротивление поезда должно входить сопротивление локомотива как машины в тяговом режиме.

Касательная сила тяги - сила, приложенная к центрам осей движущих колес или к ободу движущих колес и определяемая из условия, что ее работа за один оборот движущих колес равна:

а) для электровоза - полной механической работе на валах тяговых электродвигателей за вычетом работы сил сопротивлений в передаточном механизме (зубчатой передаче) за тот же оборот движущих колес;

б) для тепловоза - работе газа во всех цилиндрах дизеля за вычетом работы сил сопротивления (главным образом сил трения) в самом дизеле на вспомогательные нужды (компрессор, холодильник, зарядка аккумуляторной батареи и др.) и работе, затрачиваемой на преодоление сил сопротивления в передаточном к ободу движущих колес механизме;

в) для паровоза - полной работе пара во всех цилиндрах паровой машины за вычетом сил сопротивлений (трений) в движущем и парораспределительном механизме.

Таким образом, за оборот движущих колес работа касательной силы тяги меньше работы индикаторной силы тяги на величину затрат энергии на вспомогательные нужды и потери работы, связанной с передачей внутренней механической работы двигателя на обод движущих колес. Если обозначить через W_м среднее значение условной силы, эквивалентную указанным затратам энергии и потерям работы, то

 

F_к = F_i - W_м, (3.2.1-1)

или

, (3.2.1-2)

где – механический коэффициент полезного действия локомотива.

 

Различают касательную силу тяги локомотива F_к и двигателя F_кд

F_к = SF_кд. (3.2.1-3)

 

Сила тяги на сцепке приложена к сцепке между локомотивом и первым вагоном. Она определяется из условия, что ее работа за один оборот движущих колес равна работе касательной силы тяги за вычетом работы сил сопротивлений, возникающих при движении локомотива «как повозки». Понятие об этих силах дает движение электровоза или тепловоза при снятых зубчатых передачах от тяговых двигателей к колесам, или движение паровоза при разобранном движущем механизме, например, при снятом шатуне. В указанных случаях локомотив из самодвижущегося экипажа обращается в «повозку», наподобие вагона, которую теперь надо двигать при помощи посторонней силы. Отсюда и название «сопротивление локомотива как повозки».

Из этого следует, что при равномерном движении на прямом горизонтальном пути

F_п = F_к - W’_о, (3.2.1-4)

где F_п – сила тяги на сцепке;
F_к – касательная сила тяги;
W’_о – сопротивление локомотива как повозки или основное сопротивление движению локомотива.

 

В случае неравномерного движения сила тяги на сцепке будет меньше при ускоренном движении и больше при замедленном движении по сравнению со значениями силы тяги, определяемым формулой 3.2.1-4, т.к. часть силы будет расходоваться на повышение или понижение кинетической энергии локомотива. Действительная сила тяги, измеряемая динамометром на сцепном приборе первого вагона, называется динамометрической

 

F_д = F_п - М_л а, (3.2.1-5)

где М_л – масса локомотива, т;
а – ускорение локомотива, м/с².

 

Очевидно, что при равномерном движении (а = 0 м/с²), сила тяги на сцепке и динамометрическая сила тяги равны.

При производстве тяговых расчетов можно пользоваться любым выражением силы тяги - индикаторной, касательной и силой тяги на сцепке; необходимо только соответствующим образом определять действующую на поезд силу сопротивления. В случае использования индикаторной силы тяги в общее сопротивление поезда должны войти сопротивление состава (вагонов), сопротивление локомотива как повозки и сопротивление машины локомотива при тяговом режиме; при расчетах по касательной силе тяги общая сила сопротивления поезда должна состоять из сопротивления состава и сопротивления локомотива как повозки и, наконец, при расчетах по силе тяги на сцепке в качестве общей силы сопротивления будет фигурировать, очевидно, только сопротивление состава.

Вся система тяговых расчетов, принятая на отечественных железных дорогах, изначально ориентируется на проведение расчетов с горизонтальными силами, отнесенными именно к точке касания колес с рельсами. Это требование зафиксировано во всех изданиях ПТР. В частности, в издании 1985 г. прямо указано: «1.1.5. Порядок расчетов. Тяговые расчеты выполнять по силе тяги на ободах движущих колес (по касательной силе тяги F_к)».