Основной закон локомотивной тяги

При рассмотрении механизма образования силы тяги предполагалось, что сила тяги, создаваемая двигателем на ободе колеса, не превосходит силу сцепления колеса с рельсом. Однако сила сцепления имеет свои пределы, и если сила, создаваемая двигателем, превысит силу сцепления, то возникает боксование – процесс возмущенного движения, при котором качение колеса сопровождается избыточным скольжением движущих колес локомотива в зоне опоры их на рельсы.

Сцепление – это сопротивление сдвигу колеса относительно рельса, к которому оно прижато вертикальной нагрузкой. Скорость скольжения U равна разности окружной скорости V₀ и скорости поступательного движения V и влияет на силу сцепления U=V₀-V. С возрастанием скорости скольжения снижается коэффициент трения и сила сцепления колес с рельсами, а следовательно, и сила тяги по сцеплению, мощность локомотива частично затрачивается на непроизводительное увеличение кинетической энергии боксующих колесных пар.

В процессе боксования может произойти разрыв проволочных бандажей, ТЭД, повреждение зубчатой передачи, образование кругового огня на коллекторе и другие опасные явления. При большом сопротивлении движению поезда от подъема возникает опасность остановки поезда на перегоне. Толчок силы тяги в момент прекращения боксования может вызвать повреждение автосцепок, рам вагонов и даже разрыв поезда. В процессе боксования происходит интенсивный износ рельсов и колес.

Чтобы не допустить опасных явлений, сопутствующих боксованию, установлены технические условия устойчивого движения, которое описывается неравенством:

                                   F_{K max} ≤1000 ^P_сц ⋅ψ₀ ,

 

где ψ ₀ – предельно возможный или потенциальный коэффициент сцепления колес с рельсами;   ψ ₀ представляет собой отношение наибольшей (на пределе сцепления) силы тяги F_Кmax к сцепной массе локомотива P_сц.  

Вышеуказанное неравенство представляет собой основной закон локомотивной тяги – для обеспечения устойчивости движения и надежности тяги поездов окружные усилия на ободах движущих колес локомотива, создаваемые ТЭД, не должны превосходить силу сцепления колес с рельсами.

Под устойчивостью понимают способность системы стремиться к равномерному состоянию из различных начальных состояний. Однако в технических расчетах движения поезда нельзя принимать силу тяги, равной по величине предельной силе сцепления движущих колес с рельсами, соответствующей потенциальному значению коэффициента сцепления ψ ₀, иначе движение будет неустойчивым. Объясняется это тем, что в действительности возникают случайные возмущающие воздействия, которые заранее невозможно учесть из-за их малости по сравнению с основными силами и случайностью – сброс вспомогательных нагрузок у тепловоза, резкий набор позиций контроллера, снижение силы сцепления колес с рельсами при загрязнении рельсов смазкой или грязью и др. Как бы ни были малы такие воздействия, они вызывают изменение приращения скорости скольжения колес по рельсам, и такое движение называется возмущенным.

Если приращение скорости скольжения Δ U при возмущенном движении не существенно и по времени не возрастает (рис. 5, кривые 1, 2), то движение называют устойчивым. Если при малом возмущении скорость скольжения колес все время отклоняется от ее значений при невозмущенном движении, то невозмущенное движение называют неустойчивым. В эксплуатации разноосным боксованием называют возмущенное движение, при котором скорость скольжения колес по рельсам непрерывно растет (рис. 5, кривая 3).

 

      

Рис. 5. Возмущенные движения движущих колес локомотива: 1, 2 – устойчивое; 3 – неустойчивое

 

 

38. ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ СИЛЫ ТЯГИ

Локомотив может двигаться в режиме тяги, выбега (холостого хода) или торможения.

В режиме тяги машинист с помощью контроллера включает энергетическую установку, которая питает током тяговые электродвигатели (ТЭД), вращающие колесные пары тепловоза через осевые редукторы. Если бы контакт колесных пар с рельсами отсутствовал, то колеса вращались бы, но тепловоз не мог бы поступательно перемещаться. Движение локомотива осуществляется благодаря взаимодействию колес с рельсами в контактных точках, препятствующему свободному вращению колесных пар. При отсутствии проскальзывания колеса начинают перекатываться, при этом они поступательно перемещают ось, на которую действует сила тяги ^х (рис. 1.3). Эта сила через буксы воздействует на раму тележки, перемещающую через шкворень главную раму, которая, в свою очередь, через сцепное устройство приводит в движение вагоны.

В точке касания колес с рельсами возникает сила которая равна силе тяги ^х и противоположна ей по направлению. Эту силу, называемую касательной, можно рассчитать по формуле

Силы, действующие в колесно- моторном блоке:

1 - зубчатое колесо оси колесной пары; 2 - колесо колесной пары; 3 - зубчатое колесо якоря ТЭД (шестерня); 4 - ТЭД; П - нагрузка от колеса на рельс, т; ^т - сила тяги; Мвр - момент вращения колесной пары; Рк - касательная сила (внутренняя сила), стремящаяся провернуть колесо вокруг центра вращения относительно рельса; /"сц - сила сцепления; Лк - радиус колеса; Л3 к - радиус зубчатого колеса где Мда - момент вращения якоря ТЭД; г - радиус шестерни; Дз.к - радиус зубчатого колеса оси колесной пары; Лк - радиус круга катания колеса колесной пары.

Машинист, изменяя мощность энергетической установки с помощью контроллера, может управлять величиной касательной силы. Сила, препятствующая свободному проскальзыванию колесных пар относительно рельс, равна силе Рк и противоположна ей по направлению. Эту силу называют силой сцепления и обозначают ^сц. Ее величина прямо пропорциональна нагрузке П колес на рельсы:

£щ= УсцП,

где 1|/сц - коэффициент трения покоя, называемый также коэффициентом сцепления.

Коэффициент сцепления зависит от множества факторов: чистоты поверхностей взаимодействия колес и рельс, скорости перекатывания, влажности, температуры и т.д. Значение усц определяют опытным путем и используют в тяговых расчетах.

Если ^к превышает предельное значение Рсц, то происходит проскальзывание (боксование) колес относительно рельс и резко уменьшается сила тяги. Это связано с тем, что в точках касания колес и рельс вместо трения покоя действует трение скольжения и резко уменьшаются Рсц, а следовательно, и Стабилизировать сцепление колес с рельсами позволяет специальное устройство на локомотивах - песочная система. При приемке тепловоза локомотивная бригада обязана проверить качество подачи песка на рельсы, чтобы обеспечить движение поезда в режиме тяги без боксования колесных пар.