Коэффициент трения тормозных колодок

Силы, возникающие в месте соприкосновения двух тел и препятствующие их относительному перемещению, называются силами трения. Направление силы трения противоположно направлению движения (рис. 1.4). Силы трения образуются из-за деформации поверхностей двух соприкасающихся тел, наличия шероховатостей на этих поверхностях и возникающими силами молекулярного сцепления между ними (диффузия).

Рис. 1.4. Возникновение силы трения

Сила трения Fтр между поверхностью катания бандажа и колодкой оказывается в несколько раз меньше силы К нажатия колодки на колесо. Отношение Fтр/К в механике называется коэффициентом трения и обозначается в тормозных расчетах φк (рис. 1.5).

Если известна величина коэффициента трения, то сила трения определяется из равенства Fтр = φкК, а тормозная сила Вт одиночного колеса (без учета влияния инерции вращающихся масс) численно равна силе трения, т е Вт = Fтр.

Значения коэффициентов трения определяют опытным путем на специальных стендах. На основании опытов составляют зависимости коэффициентов трения от скорости движения для различных сил нажатия колодок. Затем по полученным результатам выводят формулы:

 

Основными факторами, влияющими на значения коэффициента трения, являются скорость движения, удельная сила нажатия колодки на поверхность катания бандажа, материал колодки и бандажа, чистота поверхностей и другие. Из формул видно, что с уменьшением скорости коэффициент трения увеличивается.

Коэффициенты трения композиционных колодок выше, чем чугунных (рис. 1.4).

Рис. 1.5. Коэффициенты трения композиционных и чугунных колодок

Коэффициент сцепления колеса с рельсом

Сила сцепления возникает в месте контакта колеса с рельсом. Природа возникновения силы сцепления такая же как и у силы трения.

Качение колеса по рельсу без проскальзывания происходит при условии, что сила сцепления Вс больше силы трения Fтр, действующей со стороны рельса на колесо в точке их контакта. Сила сцепления вычисляется по формуле:

Bc = qψк,

где: q - осевая нагрузка, тс/см²;

ψк - коэффициент сцепления между колесом и рельсом.

Коэффициент сцепления показывает, какую часть от нагрузки колеса на рельс составляет сила сцепления.

Коэффициент сцепления зависит в основном от осевой нагрузки q, состояния поверхностей колеса и рельса, скорости движения, площади контакта, типа тягового привода и может изменяться в широких пределах (от 0,04 до 0,33). Наиболее неблагоприятное сцепление имеет место при моросящем дожде, образовании на рельсах инея или при загрязнении рельсов перевозимыми нефтепродуктами, смазочными материалами, торфяной пылью. Простым и эффективным способом повышения коэффициента сцепления является подача песка под колесные пары.

Образование тормозной силы

Для торможения подвижного состава к нему должны быть приложены внешние силы, действующие против направления движения поезда.

Катящееся колесная пара совершает сложное движение, состоящее из двух простых: прямолинейного движения вместе со всем поездом со скоростью υ и вращательного вокруг собственной оси О с угловой скоростью w. Вращательное движение обусловлено сцеплением колес с рельсами в точке их контакта О₁. Это сцепление происходит под действием вертикальной нагрузки q (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Образование тормозной силы

Нажатие на вращающееся колесо колодки с силой К вызывает появление силы трения Fтр между колодкой и колесом (за счет механического и молекулярного воздействия), которая действует на колесо против его вращения, т е стремится остановить это вращение. Тормозить поступательное движение поезда сила трения Fтр не может, так как это внутренняя сила по отношению к поезду (колодка является частью самого поезда и движется вместе с ним).

Сила трения Fтр создает тормозной момент Мт = FтрR, направленный против вращения колеса и в точке О₁ контакта колеса с рельсом стремящийся сдвинуть рельс по ходу движения поезда с силой В = Fтр. Так как рельс прикреплен к шпалам, то он остается неподвижным. Сила Вт является реакцией рельса в точке контакта колеса с рельсом на силу В. Сила Вт внешняя по отношению к поезду и направлена против направления его движения, поэтому она является тормозной силой. Тормозная сила являясь реакцией рельса на силу Fтр и направленная по направлению вращения катящегося колеса уравновешивает силу трения Fтр, заставляя колесо продолжать вращение, препятствуя переходу колесной пары на юз. Тормозная сила численно равна силе трения колодки о поверхность катания бандажа и реализуется в точке касания колеса с рельсом.