Дещо з теорії руху поїзда
Теорія руху поїзда є складовою частиною прикладної науки про тязі поїздів, що вивчає питання руху поїздів і роботи локомотивів. Для більш ясного розуміння процесу роботи електровоза необхідно знати основні положення цієї теорії.
Перш за все розглянемо основні сили, що діють на поїзд при русі - це сила тяги F, опір руху W і гальмівна сила В. Машиніст може змінювати силу тяги і гальмівну силу; силою опору руху управляти не можна.
Як же утворюються ці сили, від чого вони залежать?
Ми вже говорили, що кожна рушійна колісна пара електровоза має окремий тяговий двигун, який пов'язаний з нею зубчастим редуктором (рис. 3, а). Мале зубчасте колесо редуктора насаджено на вал тягового двигуна, а велика - на вісь колісної пари. Ставлення числа зубів великого колеса до числа зубів малого (шестерні) називають передавальним відношенням i. Якщо пустити в хід тяговий двигун, то на його валу створюється обертовий момент. Частота обертання колісної пари буде в i разів менше частоти обертання валу двигуна, зате крутний момент відповідно в i разів більше (якщо не враховувати коефіцієнт корисної дії зубчастої передачі).
Мал. 3. Освіта сили тяги (а) і гальмівної сили (б)
Розглянемо умови, необхідні для того, щоб електровоз почав рухатися.
Якби колеса електровоза не торкалися рейок, то після пуску тягових двигунів вони б просто оберталися, наприклад, за годинниковою стрілкою (див. Рис. 3). Але так як колеса локомотива стикаються з рейками, то при передачі осях обертаючих моментів М між поверхнями коліс і рейками виникає сила зчеплення.
Принагідно зауважимо, що спочатку при зародженні залізниць взагалі сумнівалися в можливості створення необхідної сили тяги при звичайних профілях коліс і рейок. Тому були спроби створити зубчасте зачеплення між колесами паровоза і рейками. Був навіть побудований локомотив, який пересувався по рейках за допомогою спеціальних пристроїв, по черзі отталкивающихся від шляху. На щастя, ці сумніви не виправдалися.
Сила зчеплення на поверхні кожного колеса (бандажа) Fб спрямована в бік, протилежний обертанню останнього, а на рейках Fp - в сторону обертання бандажа.
Величина Fб - сила реакції рейок або зовнішня сила, що змушує електровоз переміщатися. Ця сила реактивна; її абсолютне значення змінюється в залежності від прикладеного моменту М.
У місці зіткнення колеса з рейкою є дві точки, одна з яких належить бандажу Аб. а інша рельсу Ар. У електровоза, що стоїть нерухомо, ці точки зливаються в одну. Якщо в процесі передачі колесу крутного моменту точка Аб отримає щодо точки Ар горизонтальне зміщення, то в наступну мить з точкою Ар почнуть по черзі стикатися точки бандажа Бб. Вб і т. Д.
Наявність взаємної горизонтальної швидкості точок Аб і Ар називається боксування, внаслідок чого локомотив не отримає поступальної швидкості або вона різко зміщується, коли електровоз разом зі складом рухається.
У разі коли точки Ар і Аб не мають взаємної горизонтальної швидкості, в кожний наступний момент часу вони втрачають контакт, але одночасно безперервно будуть виникати нові контакти наступних точок: Бб з Бр. Вб з Вр і т. Д.
Точка контакту колеса і рейки являє собою миттєвий центр обертання. Цілком очевидно, що швидкість, з якою переміщається уздовж рейок миттєвий центр обертання, дорівнює поступальної скостити локомотива.
Для здійснення руху електровоза необхідно, щоб сила зчеплення в точці дотику колеса і рейки Fб. рівна але протилежна по напрямку силі Fp. мала б значення, що не перевищує деякого граничного. До досягнення його сила Fб створює свій реактивний момент Fб R, який за умовою рівноваги повинен дорівнювати чинному моменту Fб R = M.
Встановлено, що сила зчеплення прямо пропорційна силі тиску - навантаженні від всіх рухомих коліс на рейки. Це навантаження називають зчіпним вагою локомотива.
Для підрахунку найбільшої сили тяги, яку може розвинути локомотив, не перевищуючи сили зчеплення, крім зчіпного ваги, необхідно ще знати фізичний коефіцієнт зчеплення. Помноживши зчіпний вагу локомотива на цей коефіцієнт, визначають силу тяги. Отже, фізичний коефіцієнт зчеплення є коефіцієнтом пропорційності між зчіпним вагою і найбільшою силою тяги.
Вивченню проблеми максимального використання сили зчеплення коліс з рейками присвячені роботи багатьох вчених і практиків. Остаточно вона не вирішена і до теперішнього часу.
Фізичний коефіцієнт зчеплення залежить також від конструкції електровоза - пристрої ресорного підвішування, схеми включення тягових двигунів, їх розташування, роду струму, стану шляху (чим більше деформуються рейки або просідає баластовий шар, тим нижче реалізований коефіцієнт зчеплення) і інших причин. Як впливають ці причини на реалізацію сили тяги, буде розказано в відповідних параграфах книги. Коефіцієнт зчеплення залежить також від швидкості руху поїзда: в момент рушання складу він більше; зі зростанням швидкості реалізований коефіцієнт зчеплення спочатку дещо збільшується, потім падає.
Як відомо, значення фізичного коефіцієнта зчеплення змінюється в широких межах - від 0,06 до 0,5.
Внаслідок того, що фізичний коефіцієнт зчеплення залежить від багатьох причин, для визначення максимальної сили тяги, яку може розвивати електровоз без боксування, користуються розрахунковим коефіцієнтом зчеплення # 968; К. Цей коефіцієнт є ставлення найбільшої сили тяги, надійно реалізованої в умовах експлуатації, до зчіпному вазі локомотива. Розрахунковий коефіцієнт зчеплення визначають за емпіричними формулами, отриманими на підставі численних досліджень і досвідчених поїздок з урахуванням досягнень передових машиністів.
За час застосування електричної тяги в СРСР розрахунковий коефіцієнт був збільшений з 0,18 до 0,25 для електровозів постійного струму і до 0,26 для електровозів змінного струму, т. Е. Майже в 1,5 рази. Так, для електровоза ВЛ10, зчіпний вагу якого Р = 184 тс, дотична сила тяги FK з урахуванням розрахункового коефіцієнта буде
Якщо поверхня рейок забруднена і коефіцієнт зчеплення знизився, припустимо до 0,2, то сила тяги FK складе 36,8 тс. При подачі піску цей коефіцієнт може зрости до 0,33, при цьому FK = 60,7 тс.
Дуже важливо забезпечити при рушанні і русі найбільший коефіцієнт зчеплення: чим він вищий, тим більшу силу тяги може реалізувати електровоз, тим більшої маси складу можна буде вести.
Опір руху поїзда W виникає внаслідок тертя коліс об рейки, тертя в буксах, деформації шляху, опору повітряного середовища, опору, обумовленого спусками та підйомами, кривими ділянками колії і т. П. Рівнодіюча всіх сил опору зазвичай спрямована проти руху і лише на дуже крутих спусках збігається з напрямком руху.
Опір руху поділяють на основний і додатковий. Основний опір діє постійно і виникає, як тільки поїзд починає рухатися; додатковий опір обумовлено ухилами шляху, кривими, температурою зовнішнього повітря, сильним вітром, зворушенням з місця.
Обчислити окремі складові основного опору руху дуже складно. Зазвичай його підраховують по досвідченим (емпіричним) формулами, отриманими на підставі багатьох досліджень і випробувань в різних умовах. Основний опір зростає зі збільшенням швидкості. При великих швидкостях в ньому переважає опір повітряного середовища.
Електровоз теж робить деякий опір руху W ', яке обчислюється за емпіричними формулами, отриманими для різних серій локомотивів. З огляду на цю обставину, крім дотичній сили тяги електровоза, вводять поняття сили тяги на автозчепленню Fn (рис. 4); Fn = FK - W "за умови рівномірного руху, де W" - опір руху складу *. Під час прискореного руху різниця між дотичній силою тяги і силою тяги на автозчепленню зростає, так як частина сили FK йде на створення прискорення локомотива.
* (Сформовані і зчеплені вагони називаються складом. Склад же з одним або декількома діючими локомотивами, що мають встановлені сигнали, називається потягом.)
Мал. 4. Сили, що діють на поїзд в режимі тяги
У процесі ведення поїзда для зменшення швидкості, зупинки або для підтримання його постійної швидкості на спусках застосовують гальма, що створюють гальмівну силу В. Гальмівна сила утворюється внаслідок тертя гальмівних колодок про бандажі коліс (механічне гальмування) або, при роботі тягових двигунів в якості генераторів. В результаті притиснення гальмівної колодки до бандажу силою К (див. Рис. 3, б) на ньому виникає сила тертя Т = # 966; К К, де # 966; К - коефіцієнт тертя. Завдяки цьому утворюється сила зчеплення В на бандажі в точці його дотику з рейкою, що дорівнює силі Т. Сила зчеплення В є гальмівний: вона перешкоджає руху поїзда.
Максимальне значення гальмівної сили визначається тими ж умовами, що і сили тяги FK. Для уникнення юза (ковзання без обертання коліс по рейках) при гальмуванні повинна бути виконана умова Т = # 966; К К <Вmах или φК К <φК Р.
Коефіцієнт тертя гальмівних колодок про бандаж залежить від швидкості руху, питомого натискання колодок на колесо і їх матеріалу. Цей коефіцієнт з підвищенням швидкості і питомої натискання зменшується внаслідок підвищення температури, що труться. Тому застосовують двостороннє натискання на колеса при гальмуванні.
Залежно від доданих до поїзда сил розрізняють три режими руху поїзда: тяга (рух під струмом), вибіг (без струму), гальмування.
У момент рушання і в період подальшого руху під струмом на поїзд діють сила тяги FК і опір руху поїзда W. Характер зміни швидкості в залежності від часу на ділянці кривої ОА (рис. 5) буде визначатися різницею сил FK і W, званої прискорює силою тяги . Чим більше ця різниця, тим більше прискорення поїзда. Опір руху, як уже було відзначено, величина змінна, що залежить від швидкості. Зі збільшенням швидкості вона зростає. Тому якщо сила тяги незмінна, то прискорює сила тяги буде зменшуватися. Після деякої точки 0 'сила тяги трохи зменшується. Потім настає такий момент, коли FK = W і поїзд під струмом буде рухатися з постійною швидкістю (ділянка кривої АБ).
Мал. 5. Крива зміни швидкості під час руху поїзда на перегоні
Далі машиніст може відключити двигуни, т. Е. Здійснювати рух на вибігу (ділянка БВ). При цьому на поїзд діє тільки сила опору руху W, що знижує його швидкість, якщо поїзд не рухається по крутому спуску. Від точки В до точки Г на поїзд діють дві сили - опір руху W і гальмівна сила У, швидкість поїзда знижується. Сума сил В і W є замедляющую силу. Можливий і такий випадок руху, коли поїзд рухається по крутому спуску і машиніст використовує гальмівну силу для підтримки постійної допустимої швидкості.