Для более ясного понимания процесса работы электровоза необходимо знать основные положения этой теории
Работа добавлена на сайт samzan.net:
НЕМНОГО ИЗ ТЕОРИИ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА
Теория движения поезда является составной частью прикладной науки о тяге поездов, изучающей вопросы движения поездов и работы локомотивов. Для более ясного понимания процесса работы электровоза необходимо знать основные положения этой теории.
Прежде всего рассмотрим основные силы, действующие на поезд при движении,— это сила тяги F, сопротивление движению W и тормозная сила В. Машинист может изменять силу тяги и тормозную силу; силой сопротивления движению управлять нельзя.
Как же образуются эти силы, от чего они зависят?
Мы уже говорили, что каждая движущая колесная пара электровоза имеет отдельный тяговый двигатель, который связан с ней зубчатым редуктором (рис. 3, а). Малое зубчатое колесо редуктора (шестерня) насажено на вал тягового двигателя, а большое — на ось колесной пары. Отношение числа зубьев большого колеса к числу зубьев малого 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 коэффициента полезного действия зубчатой передачи).
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, оставаясь на одном и том же месте. Однако из-за того, что колеса локомотива соприкасаются с рельсами при передаче на оси колесных пар вращающих моментов М, между поверхностями колес и рельсами появляется сила сцепления.
Попутно отметим, что первоначально при создании первых локомотивов — паровозов вообще сомневались в возможности движения их по «гладкому» рельсовому пути. Поэтому было предложено создать зубчатое зацепление между колесами паровоза и рельсами (паровоз Бленкинсона). Был также построен локомотив (паровоз Брунтона), который передвигался по рельсам с помощью специальных устройств, поочередно отталкивающихся от пути. К счастью, эти сомнения не оправдались.
Момент М (см. рис. 3), приложенный к колесу, образует пару сил Fк - Fк' с плечом R. Сила Fк направлена против движения. Она стремится переместить опорную точку колеса относительно рельса в сторону, противоположную направлению движения. Этому препятствует возникающая под действием нажатия колеса на рельс в опорной точке сила реакции рельса, так называемая сила сцепления Fсц. Согласно третьему закону Ньютона она равна и противоположна силе Fк, т. е. Fсц = Fк. Эта сила и заставляет колесо, а следовательно, и электровоз перемещаться по рельсу.
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 сместится относительно точки Ар, то в следующее мгновение с точкой Ар начнут поочередно соприкасаться точки бандажа Бб, Вб и т. д. При этом локомотив не приходит в движение, а если он уже двигался, то скорость его резко уменьшается, колесо теряет упор и начинает проскальзывать относительно рельса — боксовать.
В случае когда точки Ар и Аб не имеют относительного смещения, в каждый последующий момент времени они выходят из контакта, но одновременно непрерывно вступают в контакт следующие точки: Бб с Бр, Вб с Вр и т. д.
Точка контакта колеса и рельса представляет собой мгновенный центр вращения. Очевидно, что скорость, с которой перемещается вдоль рельсов мгновенный центр вращения, равна скорости поступательного движения локомотива.
Для осуществления движения электровоза необходимо, чтобы сила сцепления в точке касания колеса и рельса Fсц, равная, но противоположная по направлению силе Fк, не превышала некоторого предельного значения. До тех пор, пока она его не достигла, сила Fсц создает реактивный момент FсцR, который по условию равномерного движения должен равняться вращающему моменту М= FcцR.
Сумма сил сцепления в точках касания всех колес электровоза определяет общую силу, называемую касательной силой тяги Fк. Нетрудно представить, что имеется некоторая максимальная сила тяги, ограничиваемая силами сцепления, при которой еще не происходит боксование.
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 рельсов, в результате чего происходит сцепление колеса с рельсом.
Установлено, что сила сцепления прямо пропорциональна силе нажатия — нагрузке от всех движущихся колес на рельсы. Эту нагрузку называют сцепным весом локомотива.
Для подсчета наибольшей силы тяги, которую может развить локомотив, не превышая силы сцепления, кроме сцепного веса, необходимо еще знать коэффициент сцепления. Умножив сцепной вес локомотива на этот коэффициент, определяют силу тяги.
Проблеме максимального использования силы сцепления колес с рельсами посвящены работы многих ученых и практиков. Окончательно она не решена до сих пор.
Чем же определяется значение коэффициента сцепления? 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. В газете «Труд» от 13 декабря 1973 г. в заметке «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 после того, как поток улиток поредел, поезд смог тронуться.
Коэффициент сцепления зависит также он 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 далее 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 его изменяется в широких пределах — от 0,06 до 0,5. Вследствие того что коэффициент сцепления зависит от многих причин, для определения максимальной силы тяги, которую может развивать электровоз без боксования, пользуются расчетным коэффициентом сцепления. Он представляет собой отношение наибольшей силы тяги, надежно реализуемой в условиях эксплуатации, к сцепному весу локомотива. Расчетный коэффициент сцепления определяют по эмпирическим формулам, зависящим от скорости; они получены на основании многочисленных исследований и опытных поездок с учетом достижений передовых машинистов.
При трогании с места, т. е. когда скорость равна нулю, расчетный коэффициент сцепления у электровозов постоянного тока и двойного питания составляет 0,34 (0,33 для электровозов серии ВЛ8) и 0,36 для электровозов переменного тока. Так, для электровоза двойного питания ВЛ82М, сцепной вес которого Р= 1960 кН (200 тс), касательная сила тяги Fк с учетом расчетного коэффициента Fк= 1960 * 0,34=666 кН (68 тс).
Если поверхность рельсов загрязнена и коэффициент сцепления понизился, допустим, до 0,2, то сила тяги Fк составит 392 кН (40 тс). При подаче песка этот коэффициент сцепления может возрасти до прежнего значения и даже превысить его. Особенно эффективно применение песка при малых скоростях движения: до скорости 10 км/ч на мокрых рельсах коэффициент сцепления увеличивается на 70—75%. Эффект от применения песка снижается с ростом скорости.
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.
Сопротивление движению поезда W возникает вследствие трения колес о рельсы, трения в буксах, деформации пути, сопротивления воздушной среды, сопротивления, обусловленного спусками и подъемами, кривыми участками колеи и т. п. Равнодействующая всех сил сопротивления обычно направлена против движения и лишь на очень крутых спусках совпадает с направлением движения.
Сопротивление движению разделяют на основное и дополнительное. Основное сопротивление действует постоянно и возникает, как только поезд начинает двигаться; дополнительное обусловлено уклонами пути, кривыми, температурой наружного воздуха, сильным ветром, троганием с места.
Вычислить отдельные составляющие основного сопротивления движению поезда очень сложно. Обычно его подсчитывают для вагонов каждого типа и локомотивов разных серий по эмпирическим формулам, полученным на основании результатов многих исследований и испытаний в различных условиях. Основное сопротивление возрастает по мере увеличения скорости. При больших скоростях в нем преобладает сопротивление воздушной среды.
Учитывая основное сопротивление движению локомотива W, кроме касательной силы тяги электровоза, вводят понятие силы тяги на автосцепке Fn (рис. 4): Fn= Fк— W. При условии равномерного движения Fn= W", где W" — сопротивление движению состава.
Силы, действующие на поезд в режиме тяги
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= фкК, где фк — коэффициент трения. Благодаря этому образуется сила сцепления В на бандаже в точке его соприкосновения с рельсом, равная силе Т. Сила В является тормозной: она препятствует движению поезда.
Максимальное значение тормозной силы определяется теми же условиями, что и силы тяги Fк. Чтобы избежать юза (скольжение без вращения колес по рельсам) при торможении, должно быть выполнено условие
Т<фкК< Bmax
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.
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) определяется 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 оно возрастает. Поэтому если сила тяги неизменна, ускоряющая сила тяги будет уменьшаться. После некоторой точки О' сила тяги уменьшается. Затем наступает такой момент, когда Fк= W и поезд под током двигается с постоянной скоростью (участок кривой АБ).
кривая изменения скорости при движении поезда на перегоне
Далее машинист может отключить двигатели и продолжить движение на выбеге (участок БВ) за счет кинетической энергии поезда. При этом на поезд действует только сила сопротивления движению W, снижающая его скорость, если поезд не движется по крутому спуску. При включении машинистом тормозов (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.
9.1. Назначение тяговых расчетов
Составной частью науки о тяге поездов являются тяговые расчеты. Они служат для решения различного рода задач, связанных с движением поездов и возникающих при проектировании железных дорог, локомотивов, вагонов и в процессе их эксплуатации.
На основе данных, полученных тяговыми расчетами, разрабатывают графики движения поездов, определяют пропускную способность железнодорожных линий, размещают раздельные пункты, тяговые подстанции, склады топлива, определяют нормы расхода электроэнергии и топлива локомотивами и решают другие практические задачи.
В тяговых расчетах используют общие законы механики, приложенные к движению поезда. На основе этих законов составляется математическое выражение зависимости между ускорением поезда и приложенными к нему внешними силами, называемое уравнением движения поезда. Решение этого уравнения позволяет определить вес, скорость и время хода поездов, длину тормозного пути, допускаемые скорости движения при заданных тормозных средствах, затраты топлива или электроэнергии на движение поездов и выяснить другие вопросы, связанные с движением.
Порядок и методика производства тяговых расчетов, а также все основные нормативы, применяемые в расчетах, определяются Правилами тяговых расчетов для поездной работы (ПТР), утвержденными МПС.
9.2. Силы, действующие на поезд
На движущийся поезд действуют силы, разнообразные по величине, направлению и времени действия.
Для удобства расчетов все внешние силы, оказывающие влияние на движение поезда, объединяют в три группы: сила тяги, силы сопротивления движению и тормозные силы.
|
|
Сила тяги создается двигателем локомотива во взаимодействии с рельсами и приложена к движущим колесам. Ее значение посредством контроллера регулируется в широких пределах машинистом, ведущим поезд. Вращающий момент М двигателя (рис. 9.1) создает пару сил F и F1, действующих на плече r, равном радиусу колеса по кругу катания. Эти силы стремятся вращать колесо вокруг его оси. Для получения поступательного движения нужна внешняя сила, приложенная к движущим колесам. Такой силой является горизонтальная реакция рельса F2, вызванная действием силы F1. Численно силы F1 и F2 между собой равны и направлены в противоположные стороны. Таким образом, сила реакции рельса F2 уравновесила силу F2 и тем самым освободила силу F для осуществления поступательного движения локомотива. На практике силой тяги локомотива принято называть горизонтальную реакцию F2, приложенную от рельсов к ободу движущих колес и направленную в сторону движения. Поскольку эта сила направлена по касательной к окружности колеса, она получила название касательной силы тяги. Для локомотива в целом касательная сила тяги определяется как сумма касательных сил, приложенным ко всем движущим колесам локомотива и обозначается Fk.
|
С увеличением вращающего момента, приложенного к колесам локомотива, возрастает и сила тяги, однако лишь до тех пор, пока она не достигнет предельной силы сцепления колеса с рельсами. При дальнейшем увеличении вращающего момента сцепление между колесами и рельсами нарушается и колеса начинают буксовать.
Сила сцепления зависит от коэффициента сцепления jk QUOTE и сцепного веса локомотива Рсц, т. е. от веса, приходящегося на движущие колесные пары. Наибольшая сила тяги локомотива, которая может быть реализована по условиям сцепления колес с рельсами, составляет Fk £ 1000 jk Рсц.
Коэффициент сцепления зависит от многих факторов, из которых наиболее существенными являются тип и конструкция локомотива, скорость движения, состояние поверхностей колес и рельсов, метеоусловия. Применение песка позволяет существенно увеличить коэффициент сцепления, а соответственно и силу тяги локомотива. Расчетные значения коэффициента сцепления устанавливаются ПТР в зависимости от типа локомотива и скорости движения.
Силами сопротивления называют возникающие при движении поезда внешние силы, направленные в сторону, противоположную движению. Некоторые из них действуют непрерывно во время движения, в частности силы, вызываемые трением осей в подшипниках, трением качения и скольжения между колесами и рельсами, ударами в рельсовых стыках, сопротивлением воздушной среды.
Такие силы в совокупности образуют основное сопротивление движению. Другие силы появляются только при определенных условиях движения, а именно на уклонах, кривых, при трогании с места и др. Эти силы составляют дополнительное сопротивление.
Основное сопротивление движению, т. е. сопротивление на прямом и горизонтальном пути, зависит от рода подвижного состава, скорости движения, конструкции пути, массы вагонов или нагрузки на ось и определяется по эмпирическим формулам, выведенным на основании специальных опытов.
Тормозными называют искусственно создаваемые силы, возникающие в процессе торможения подвижного состава. Тормозные силы направлены против движения, управляемы и зависят в определенных пределах от реакции машиниста. Процесс торможения происходит при нажатии тормозных колодок на колеса, а также при применении электрического (реостатного, рекуперативного) торможения. Сила трения, создаваемого тормозными колодками, зависит от коэффициента трения между колодками и поверхностью колес, от силы нажатия колодок и от числа тормозных осей в составе. Сила трения, возникающего между ободом движущего колеса и колодкой (рис. 8.2), направлена в сторону, противоположную вращению, и равна Kjk, где K – сила нажатия колодки, тс; jk – коэффициент трения между колесом и колодкой.
|
|
Сила трения создает относительно центра колес момент, препятствующий вращению и вызывающий реакцию рельса В. Реакция В, равная Kj, при торможении без скольжения колес по рельсу (безъюзное торможение) и является тормозной силой. Расчетная тормозная сила поезда (рис. 9.2) определяется как сумма тормозных сил, создаваемых всеми тормозными колодками:
. (9.1)
Расстояние, проходимое поездом от начала торможения (после поворота ручки крана машинистом в тормозное положение) до полной остановки, называется тормозным путем. В практических условиях для ускорения расчетов при экстренном торможении пользуются приведенными в ПТР номограммами длин тормозных путей грузовых и пассажирских поездов в зависимости от расчетного нажатия тормозных колодок на 100 тс веса состава при различных спусках и скорости движения в начале торможения. |
5.4. Тормозные силы
Используются для уменьшения скорости движения поезда или для остановки на станции. Существуют два вида торможения: механическое и электрическое. При механическом торможении тормозная сила образуется от трения колодок о бандажи колёс поезда. Во втором случае тормозная сила возникает при работе электрических машин локомотива в генераторном режиме, при котором кинетическая энергия движущегося поезда преобразуется в электрическую.
Рис. 5.4. Схема образования тормозной силы В при механическом торможении
Рассмотрим формирование тормозной силы Вт при механическом торможении. Допустим, поезд движется со скоростью υ (рис. 5.4) и колёса вращаются по часовой стрелке.
При нажатии колодки на бандаж колеса в месте контакта возникает трение, которое уменьшает скорость вращения, что равносильно наличию тормозного момента Мт, направленного против часовой стрелки. Его можно представить силами В1 и В2 (В1 – сила трения, В2 – реакция буксы) или эквивалентными силами В3 и В4. Сила В4 уравновешивается силой реакции рельса на колесо – В. Сила В3 оказывается неуравновешенной и, передаваясь через буксу на раму, вызывает торможение. Рассмотренные силы по модулю равны. Существование силы В3 возможно только при наличии силы реакции рельса, приложенной к ободу колеса в точке А, т. е. силы В или тормозной силы. Она равна силе нажатия K, умноженной на коэффициент трения скольжения между колодкой и бандажом .
Тормозная сила поезда Вт равна сумме тормозных сил, создаваемых каждым колесом: . Коэффициент трения тормозных колодок зависит от скорости движения, удельного нажатия колодок на колесо и материалов, из которых они изготовлены. Он уменьшается с увеличением скорости и силы нажатия из-за повышения температуры трущихся поверхностей. Для определения расчётных значений применяют эмпирические формулы. Например, для стандартных чугунных колодок
Дополнительное сопротивление движению поезда ^ Wдоп, как отмечалось, является суммой сил. Остановимся на основных его составляющих: дополнительном сопротивлении от уклонов Wi и дополнительном сопротивлении от кривых Wr. Расчёт остальных составляющих можно посмотреть в [2].
Сила дополнительного сопротивления от уклона Wi является составляющей силы тяжести поезда. Это активная сила. На подъёме она направлена против движения поезда, а на спуске – в сторону его движения. Допустим по подъему АВ (рис. 5.2) движется поезд.
Крутизну подъема или спуска характеризуют уклоном. Уклон профиля пути равен отношению высоты подъема h к длине участка s. На железной дороге принято уклон определять синусом угла подъема пути. Если измерять высоту h в метрах, а отрезок пути s в км, то
5.2. Сила тяги
Сила тяги образуется при работе тяговых двигателей электроподвижного состава. На электрифицированных железных дорогах эксплуатируются двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. Они получают питание либо непосредственно из тяговой сети на железной дороге постоянного тока, либо через выпрямители, имеющиеся на подвижном составе железных дорог переменного тока. При протекании тока в цепи тягового двигателя на его якорь действует вращающий момент, который через зубчатую передачу передаётся на колёсную пару. Если пренебречь трением в подшипниках и передаче, то вращающий момент, действующий на колёсную пару будет равен , где - передаточное отношение зубчатой передачи. На рис. 5.1 показано колесо, к которому приложен вращающий момент Мк, действующий по часовой стрелке. Имеется ещё сила Ро, которая составляет часть веса локомотива. Эта сила уравновешивается реакцией опоры R (рельсы) в точке А и не создаёт поступательного движения
Рис.5.1.
Момент Мк можно представить парой сил F1 = F2, одна из которых приложена к центру колеса, а вторая к точке А касания колеса с рельсом. При отсутствии опоры силы F1 и F2 вращали бы колесо и поступательное движение отсутствовало. Только благодаря опоре колеса на рельсы в точке касания А создаётся сила реакции рельса F, которая уравновешивает силу F2. Точка А становится мгновенным центром вращения колеса, т. е. колесо поворачивается относительно неё, не проскальзывая. Затем мгновенным центром вращения становится новая точка А1, расположенная справа от А и т. д., т. е. происходит перемещение колеса слева направо, а центр колеса приобретает поступательное движение со скоростью v.
Сила ^ F, действующая на оба колеса колёсной пары, называется силой тяги движущейся колёсной пары или силой тяги на ободе колеса. Сумма сил F всех движущихся колёсных пар образует касательную силу тяги локомотива Fк.
2. тематическое планирование для учащихся 47 классов фортепианного отделения Методическая литератур
3. 5] OF REL м~нда~ы rry of ~ ~ызметші с~здер
4. ВВЕДЕНИЕ Организационную основу системы бухгалтерского учета на предприятиях и в организациях различных ф
5. яку задачу з використанням інформаційних технологій
6. Использование крупной белой породы в России
7. тематическая статистикаГруппа- КВТ111пересд ТВДата тестирования- 31
8. Понятие вещных прав 2
9. лекциях отсутствуют например рассказы.html
10. Данный материал помогает усилить состояние стены или фундамента выступая в качестве арматуры
11. Воздействие бани на организм человек
12. КанонПрессЦ 2000
13. Общие положения Техникоэкономические расчеты выполняются для выбора- наиболее рациональной схемы.html
14. Я. И. КАНТ Для того чтобы указать характер рода тех или иных существ нужно чтобы они подпадали под о
15. Контрольная работа- Правила безопасности водителя
16. Государственная защита участников уголовного процесса на стадиях предварительного расследования
17. Методические рекомендации по организации и осуществлению внутреннего контроля качества работы аудиторской
18. ХИРУРГИЧЕСКИЕ БОЛЕЗНИ 3 УЧЕБНОМЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
19. Принудительные меры медицинского характера
20. .К. Гавло С.В. Землюков Характеристика некоторых изменений Особенной части Уголовного кодекса Российской Ф