WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 41 |

Принципиально эта задача может быть решена при помощи бортовой ЭВМ (автомашинист), которая обеспечивает движение поезда по программе V(S) при учете ограничений, накладываемых сигналами автоблокировки. В настоящее время такие системы автоведения созданы. Наиболее совершенные системы используются на метрополитене. Аналогичный принцип заложен для электропоездов пригородного сообщения. Решается эта задача и для поездов дальнего сообщения.

1.6. Природа сил, действующих на поезд Движение поезда по перегону определяется суммарным действием множества сил – внутренних и внешних: при этом машинист может регулировать только силы, развиваемые тяговым электроприводом и тормозной системой. Предельные значения этих сил ограничены коэффициентом сцепления колесных пар с рельсами. Поэтому для практики очень важно детальное изучение сил, действующих на поезд.

Эти силы различны по своей природе и воздействию на поезд в процессе его движения. Одни из них возникают вследствие электромагнитных процессов в тяговом приводе э.п.с., другие являются результатом трения в узлах э.п.с. (вагонов), третьи появляются из-за сопротивления воздушной среды при движении поезда, четвертые из-за различных метеорологических условий и т.п.

Так как эти силы являются в каждый момент времени результатом сочетания многих случайных факторов, то аналитически определить их чрезвычайно затруднительно. Поэтому в тяговых расчетах учитывают только средние значения наиболее существенных составляющих, определяемые опытным путем. Эти средние значения приведены в ПТР-85 для разных серий локомотивов, вагонов и условий их движения, а также для разных конструкций пути (звеньевой, бесстыковой).

Рассмотрим природу возникновения и воздействие основных сил на поезд, начиная с веса поезда.

Вес поезда – это один из важных показателей электрической тяги.

Вес любого тела (э.п.с., вагонов, поезда в целом и т.д.) представляет собой силу, обусловленную полем тяготения Земли. Численно вес равен произведению массы тела на ускорение силы тяжести. Вес локомотива и вагонов поезда в целом передается через рельсы и далее через грунт к центру массы Земли. Со стороны центра массы Земли действует на локомотив и вагоны такая же по величине сила, но направленная противоположно. Так как масса Земли несоизмеримо больше массы локомотива, вагонов и поезда в целом, то вызываемое перемещением поезда изменение положения Земли оказывается ничтожным, и его не учитывают.

При движении локомотив должен развивать силу тяги, необходимую для преодоления силы инерции поезда, которая определяется его массой.

Сила тяги локомотива – внешняя по отношению к колесу локомотива сила, действующая со стороны рельса по направлению движения локомотива, она равна сумме сил тяги всех его колесных пар, приводимых во вращение тяговыми двигателями.

Сила тяги является регулируемой, т.е. машинист может изменять ее при выборе режима движения поезда.

Часто говорят, что силу тяги создает тяговый двигатель. Это неправильно, так как тяговый двигатель создает не силу, а вращающий момент, который с помощью тяговой передачи вращает колесную пару локомотива.

Вращающий момент тягового двигателя действует внутри колесномоторного блока и поэтому сам по себе он не может переместить колесную пару, а следовательно, и электровоз.

Из механики известно, что для изменения положения тела, например, перемещения его на некоторое расстояние, нужно, чтобы на это тело подействовала внешняя сила. Только внешняя сила может вывести тело из положения равновесия. Для колеса такой силой является сила сцепления его с рельсом; она обусловлена нажатием колеса на рельс и сцеплением, возникающим в месте опоры его на рельсе. Если бы сила сцепления не существовала, то под влиянием вращающего момента тягового двигателя колесная пара только вращалась бы на месте, не перемещаясь по рельсу. Точно так же мы не смогли бы ходить по земле, если бы не существовала внешняя для нас сила - сила трения между подошвой нашей обуви и грунтом. Благодаря тому что в месте опоры колеса на рельс возникает внешняя сила - сила сцепления Fсц, колесо движется поступательно.

Рис. 1.8. Под действием вращающего момента М на колесо, сила нажатия которого на рельс Gк, образуется пара сил Fк. FК. Сила Fк, приложенная в точке О, - это сила действия колеса на рельс, она направлена против движения. Реакция рельса - сила Fсц - направлена по движению колеса Для наглядности представим вращающий момент М тягового двигателя, действующий на колесную пару, в виде двух равных и противоположных сил Fк, приложенных на расстоянии радиуса колеса (рис. 1.8).

При этом сила 2М Fк = µпер, Dк где Dк -диаметр колес колесной пары (1250мм у электровозов, 1050мм у электропоездов);

µ - передаточное число тяговой передачи;

пер - коэффициент полезного действия тяговой передачи (98%).

Одна из сил Fк действует в месте опоры колеса на рельс и представляет собой внешнюю для рельса силу. Так как эта сила направлена против движения, она стремится вызывать угон рельсов в сторону, обратную движению колеса. Другая сила Fк через буксы (или другое устройство) передается на автосцепку локомотива и при наличии достаточной силы сцепления колес с рельсами осуществляет тягу состава.

Силу тяги Fк, действующую от колеса на рельс, нередко называют касательной силой тяги, вероятно потому, что она направлена как бы по касательной к ободу колеса. Однако это название не соответствует общепринятому в механике понятию «касательная» - оно относится к криволинейному движению.

Иногда говорят, что сила сцепления уравновешивает силу тяги Fк.

Однако эти силы приложены к разным телам: сила Fк - от колеса к рельсу, сила Fсц - от рельса к колесу. Уравновешивать же друг друга могут только силы, приложенные к одной точке или к одному телу. Если бы силы Fк и Fсц уравновешивали друг друга, колесная пара вообще бы не двигалась. Другое дело, что в нормальных режимах тяги силы Fк и Fсц равны, но противоположно направлены. Это соответствует третьему закону Ньютона: действие равно противодействию.

При торможении на колесо действует момент M. Тормозная сила В, приложенная к центру колеса, направлена против движения и стремится остановить колесо. Такая же по значению тормозная сила В приложена и от колеса к рельсу. Она направлена по движению колеса, а сила сцепления Fсц колеса с рельсом, возникшая как реакция на силу В, направлена в сторону, обратную движению колеса (рис. 1.9).

Рис.1.9. Тормозной момент можно представить в виде двух сил В с плечом, равным радиусу колеса. При действии тормозного момента MТ на колесо, сила нажатия которого на рельс равна Gк, возникает сила сцепления Fсц, направленная в сторону, обратную движению колеса За все время существования железных дорог (почти 180 лет) было много попыток объяснить сущность явлений, происходящих при сцеплении колеса с рельсом. Вначале даже возникали опасения, сможет ли колесо на гладком рельсе развивать достаточную силу тяги, и было предложено выполнять колеса зубчатыми, а рельсы рифлеными. Опасения вскоре отпали, однако сущность процесса сцепления остается во многом неясной до сих пор.

Сила сцепления, подобно силе трения, образуется в результате взаимодействия огромного числа мельчайших частиц соприкасающихся поверхностей материалов бандажа и рельса. Оно происходит при одновременном воздействии многих факторов, большая часть которых является случайной.

В первом приближении силу сцепления Fсц определяют аналогично силе трения как произведение силы Gк нажатия колеса на рельс и коэффициента сцепления к, значения которого устанавливают в зависимости от скорости движения колеса: Fсц=Gк(V). Это выражение является исходным для решения многих технико-экономических и эксплуатационных задач. По нему рассчитывают нормативный вес грузового поезда, определяют скорости движения и начала торможения поезда, составляют график движения поездов и т.п. Расчетные зависимости к(V) для всех типов локомотивов приведены в Правилах тяговых расчетов.

Однако при движении поезда меняются условия образования силы сцепления: сила нажатия колеса на рельс не остается постоянной, так как происходят колебания локомотива и верхнего строения пути, меняются в зависимости от профиля пути скорость движения и режим работы тяговых двигателей, окружающая температура и, что очень важно, состояние поверхностей рельсов и бандажей по кругу катания; на рельсах могут быть всякого рода загрязнения, пленки, лед и т. п.

Под влиянием этих факторов разброс значений коэффициента сцепления в условиях эксплуатации нередко достигает +50% от среднего значения, которое рассчитывается по ПТР–85. Поэтому наряду с расчетами силы сцепления по зависимости Fсц=Gк(V) на тех участках дорог, где вес грузового поезда ограничен силой сцепления колес локомотива с рельсами, проводят опытные поездки, чтобы проверить возможность реализации расчетного веса поезда.

Существует ошибочное убеждение, что увеличение силы нажатия колесных пар сверх расчетного значения обеспечивает пропорциональное повышение весовой нормы поезда. В действительности это не так.

Допустим, что за счет добалластировки восьмиосного локомотива сила нажатия его колесных пар на рельсы увеличилась с 23 до 24,5 тс, т.е.

на 6,5%. Однако это не означает, что весовую норму поезда можно повысить также на 6,5%.

Дело в том, что при таком расчете учитывают только средние значения сил нажатия колесных пар на рельсы, а значит, и средние силы сцепления. Не принимаются во внимание неизбежные в эксплуатации случайные разбросы значений этих сил, которые, как уже было сказано, могут достигать половины их средних значений. Поэтому оказывается, что действительный эффект повышения весовой нормы поезда значительно меньше определенного по средним значениям сил нажатия колес на рельсы.

Эффективный путь повышения весовой нормы поездов заключается не столько в увеличении силы нажатия колесных пар на рельсы, сколько в использовании при существующих силах нажатия локомотивов, оборудованных тяговых двигателей, которые имеют жесткие характеристики, обеспечивающие высокую степень сцепления колес с рельсами и препятствующие развитию процессов боксования.

Учесть влияние всех факторов для того, чтобы создать единую теорию сцепления, позволяющую с достаточной для практики точностью рассчитать значения коэффициента сцепления, пока не удалось. Установлены лишь отдельные важные закономерности. На основании, например, положений теории упругости выявлено, что под действием силы нажатия колеса в месте его опоры на рельсе возникают местные (контактные) напряжения, обусловленные упругостью материала бандажа и рельса. Поэтому в действительности колесо попирается на рельс не в одной точке, а по некоторой поверхности, имеющей форму эллипса, как - это схематично показано на рис. 1.10. Приближенно считают, что у современных локомотивов опорная площадка составляет 350-500 мм в зависимости от диаметра колеса, силы нажатия его на рельс и свойств материалов бандажа и рельса.

Рис. 1.10. Распределение давлений р по опорной поверхности бандажа (1) и рельса (2) при неподвижном колесе и статической силе нажатия его на рельс является симметричным. Максимальное давление в центре этой поверхности в 1,5 раза больше среднего (при нагрузке 25 т/ось) Как видно из рис.1.10, при неподвижном колесе давления распределяются симметрично относительно продольных и поперечных осей опорного эллипса. Наибольшее давление, а следовательно, и наибольшие контактные напряжения материал испытывает в середине опорной поверхности, где они близки к пределу упругости. По краям поверхности контакта напряжения практически отсутствуют.

Ориентация опорного эллипса и его фактические размеры зависят от проката, то есть от износа бандажа. При отсутствии проката большая ось эллипса направлена вдоль рельса, малая - поперек. По мере нарастания проката и связанного с ним изменения очертания профиля бандажа угол между продольными осями эллипса и рельса увеличивается. При изношенном бандаже и рельсе опорная поверхность принимает форму прямоугольника, продольная ось которого расположена поперек рельса.

Если к неподвижному колесу, сила нажатия которого на рельс равна G, приложить вращающий момент М, то вступающие в контакт воображаемые волокна материала бандажа в набегающей части окажутся сжатыми, а в сбегающей - наоборот, растянутыми. Принято различать на опорной поверхности две зоны:

– зона сцепления частиц материала бандажа и рельса, в которой силы трения частиц достаточны чтобы удержать их от взаимных смещений;

– зона относительного проскальзывания частиц материала бандажа и рельса, в которой силы, возникающие от вращающего момента М, больше сил внутреннего взаимодействия частиц, в результате чего возникает микропроскальзывание контактирующих частиц.

В виде реакции на упругие силы, являющиеся результатом этих относительных перемещений частиц, возникает равнодействующая сила по опорной поверхности, направленная в обратную сторону, т.е. по движению колеса. Она и представляет собой внешнюю для колеса силу - силу сцепления, обеспечивающую поступательное движение колеса. Со стороны колеса на рельс будет действовать такая же по величине равнодействующая сила, но направленная в сторону, обратную поступательному движению колеса.

Таким образом, вследствие упругих относительных перемещений частиц материалов бандажа и рельса при движении колеса фактический путь, проходимый его геометрическим центром, не равен пути, подсчитанному за то же время, исходя из номинального радиуса. Разницу этих путей называют упругим скольжением (криппом). Однако при расчетах силы сцепления удобнее исходить не из значения упругого скольжения, а из отношения его к длине пути, пройденного за то же время колесом номинального диаметра. Это отношение называют относительным скольжением.

Разделив числитель и знаменатель этого отношения на время, получим относительную скорость упругого скольжения материалов бандажа и рельса. При малом ее значении существует линейная зависимость силы сцепления и коэффициента сцепления от значения этой скорости. С ростом скорости упругого скольжения происходит отклонение этой зависимости от линейной. По мере приближения скорости упругого скольжения к максимальному значению, определяющему максимальное значение силы сцепления, увеличивается вероятность боксования колеса. Как только сила тяги Fк превысит силу сцепления Fсц, произойдет срыв сцепления и начнется боксование колеса. При этом на упругое скольжение контактирующих частиц материалов бандажа и рельса наложится их действительное скольжение, вследствие чего реализовать силу тяги оказывается невозможно. Это ведет к боксованию или юзу.

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 41 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.