УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫЙ ТРАНСПОРТ 4 страница

Ограничение тормозной силы. Если в режиме торможения тормозная сила В превысит предельно допус­тимую силу сцепления Тпр. произойдет заклинивание колес. Тормозные колеса начнут скользить относительно пути и точке А. Это явление называется юзом. При юзе резко уменьшается тормозная сила, так как она определяется коэффициентом трения качения между колесом и рельсом при скольжении их относительно друг друга. Л коэффициент скольжения всегда мень­ше коэффициента сцепления, соответствующего нормальному торможению. Юз - опасное явление для безопасности движения, так как во время юза увели­чиваются время торможения и тормозной путь. Кроме того, во время юза при скольжении колес происходит сильное истирание бандажей колесных пар или шин троллейбуса. Таким образом, предельная сила сцепле­ния всего подвижного состава будет иметь следующие ограничения:

 

(2.34)

откуда наибольшая допустимая по условиям сцепления тормозная сила

 

(2.35)

Величины åWоб и å значительно меньше величины Тпр, поэтому приближенно можно принять, что

Bmax £Tпр , (2.36)

 

Предельная сила сцепления подвижного состава при торможении равна произведению суммы нажатий всех тормозных колес GT на коэффициент сцепления j, т. е.

Тпр= 1000 GT j=1000mТ gj, (2.37)

 

Выражение (2.37) соответствует нажатию тормозных колес на рельс GT в килоньютонах, при этом сила сцеп­ления Тпр получается в ньютонах. С учетом выражения (2.37) выражение (2.36) примет вид

 

Вmax£ 1000mТ gj, (2.38)

Тормозная сила поезда

 

В= (2.39)

где z - число тормозных осей подвижного состава;

Bк - сила, развиваемая одной тормозной осью.

 

Если Вк1 = Вк2 = ... = Вкz, то В = к.

 

Как было отмечено выше, нарушение сцепления при торможении вызывает явление юза. Юз при торможении представляет гораздо большую опасность, нежели буксование при тяге, так как может быть авария.

Законы сцепления приближенно можно сформулировать так:

1) наибольшая сила тяги подвижного состава не должна превосходить

предельной силы сцепления:

 

Fmax £Tпр или Fmax£ 1000cц gj,

 

где Fmax - наибольшая допустимая сила тяги подвижного сос­тава, не

вызывающая скольжения ни одной из движущих осей;

 

2) наибольшая тормозная сила подвижного состава не должна превосходить предельной силы сцепления:

 

Вmax £Tпр или Вmax£ 1000 mТ gj.

 

где Вmax — наибольшая допустимая суммарная тормозная сила под­вижного состава,

не вызывающая скольжения ни одной из тормозных осей;

 

3) если сила тяги подвижного состава F или тормозная сила В больше предельной силы сцепления Tпр нормальное движение подвижного состава невозможно (в режиме тяги возникает буксование, в режиме торможений - юз).

Физические процессы образования силы сцепления.

Рассмотрим физические процессы возникновения силы сцепления применительно к рельсовому транспорту. Аналогичные процессы происходят и при взаимодействии колес с дорожным покрытием. Под воздействием силы нажатия колеса в месте его опоры на рельсе образуются контактные напряжения. Вследствие упругости материалов, из которых изготов­лены колесо и рельсы, сила, действующая от колеса на рельс, вызывает деформацию бандажа и рельса. Поэ­тому колесо опирается на рельс не в одной точке, как бы­ло рассмотрено выше, а по некоторой поверхности. Эту поверхность соприкосновения называют контактной или опорной площадкой. Для цилиндрического ко­леса, катящегося по рельсу, головка которого закруглена, но некоторому ра­диусу, контактная площадка образуется в форме

эллипса (рис. 2.4).

 


Рис.2.4. Образование контактной площадки

 

Упрощенно можно при­нять, что упругой деформа­ции подвержено только ко­лесо. Если колесо катится только под действием вра­щающего момента Мк, то волокна поверхности колеса перед тем, как вступить в переднюю, часть контактной площадки, предварительно сжимаются и сохраняют как бы неподвижное сцепление с поверхностью пути. При этом они не совершают какого-либо перемещения по отношению к поверхности пути. Эту зону называют зоной качения или покоя. По мере перекатывания колеса будет перемещаться и контактная площадка, а сжатые волокна колеса будут переходить в заднюю часть площадки. Здесь нормальное нажатие постепенно уменьшается, сжатые волокна колеса, преодолевая трение, начинают разжиматься, т. е, начинается проскальзывание разжимающихся волокон колеса относительно поверхности пути в зад­ней части контактной площадки. Эту часть контакт­ной площадки называют зоной скольжения.

Таким образом, в передней части контактной площадки совершается качение без относительного пере­мещения поверхности колеса вдоль пути, а в задней части происходит проскальзывание сжатых волокон колеса относительно пути с некоторой средней ско­ростью vск.

Силу сцепления Тсц в контактной площадке можно представить в виде двух составляющих, одна на которых Тп является силой трения покоя в передней части контактной площадки, другая Тск - сила трения скольжения в задней части контактной площадки. Чем больше момент Мк, действующий на колесо, тем более будут сжаты волокна поверхности колеса, вступающие в зону качения, и тем раньше они будут разжиматься, т. е. проскальзывать относительно поверхности пути.

Зона скольжения в контактной площадке будет увели­чиваться и одновременно будет расти средняя скорость скольжения vcк, т. е. чем быстрее будет происходить смена точек поверхности колеса, которые попадают в область контактной площадки, тем больше будет ско­рость скольжения vcк. А это в свою очередь означает, что при постоянном значении момента Мк = соnst, приложен­ного к колесу, скорость скольжения vcк в контактной площадке будет пропорциональна поступательной ско­рости колеса. Эта пропорциональность сохраняется до тех пор, пока момент Мк не превзойдет допустимого по сцеплению значения, которое соответствует предель­ному значению силы сцепления Тсц.

С увеличением вращающего момента Мк, приложен­ного к колесу, соответствующим образом растет ско­рость скольжения vcк, поэтому сила трения покоя Тп будет уменьшаться, а сила трения скольжения Тск - уве­личиваться. Когда зона образования силы трения по­коя Тп в контактной площадке уменьшится до нуля, сила сцепления Тсц будет создаваться только за счет силы трения скольжения Тск и достигнет своего наиболь­шего значения Тсц пр при скорости скольжения, соот­ветствующей предельному значению vcк = vcк пр.

В этом состоянии каждая точка поверхности колеса, попадая в область контактной площадки, оказывается непо­движной лишь мгновение. После этого сразу начинается процесс скольжения этой точки поверхности колеса вдоль пути. Таким образом, с увеличением вращающего момента Мк и ростом скорости скольжения vcк соответст­венно увеличивается сила сцепления Тсц.

При дальнейшей скорости скольжения выше пре­дельной vcк > vcк пр., сила сцепления Тсц будет умень­шаться, так как в этом случае она будет целиком со­здаваться за счет силы трения скольжения Тск. Сколь­жение колеса со скоростью выше предельной скорости скольжения vcк >vcк пр называется буксованием.

Примерный вид зависимости Тсц (vcк) для стальных колес и рельсов представлен на рис. 2.5. Здесь же показан примерный вид зависимостей сил трения по­коя Тп., и скольжения Тск .от скорости скольжения.

Для стальных колес и рельсов предельное значе­ние скорости скольжения может составлять 0,25% по­ступательной скорости v. Следовательно, даже для вы­соких значений поступательной скорости v =150 км/ч предельное значение скорости скольжения vcк пр дости­гает 0,1м/с, т. е. очень мало. Такое скольжение очень трудно измерить. Чтобы показать, что образование сил тяги и торможения связано с проскальзыванием ко­леса относительно рельса, был проделан следующий опыт. На колесо и рельс в место соприкосновения на­клеивали полоску бумаги и разрезали ее. Далее без приложения момента к колесу прокатывали его по рельсу на 10 оборотов и отмечали пройденный путь l0 (рис. 2.6). Затем прокатывали колесо от той же самой начальной точки, но под воздействием момента Мк1> 0, и снова замеряли путь l1, пройденный колесом за 10 оборотов. Этот путь l1 оказывался меньше l0 за счет проскаль­зывания колеса, вызванного реализацией силы тяги. Отношение пути l0 к отрезку l0l1 пропорционально ско­рости скольжения vcк1. Затем к колесу прикладывали момент Мк2>Мк1>, замеряли путь l2 ,пройденный колесом за

10 оборотов и определяли скорость скольжения vcк2 . Сделав несколько замеров для различных значений момента, приложенного к колесу, строили зависимость Тсц (vcк). Как показали проведенные эксперименты при скорости скольжения, превышающей на 1-2% пре­дельное значение скорости скольжения vcк пр , возникает устойчивое буксование. Этот опыт был впервые проделан кандидатом технических наук В. М. Кобозевым.

 

 

Рис. 2.5. Зависимости сил Рис. 2.6. К определению проскальзывания

сцепления колеса

 

Коэффициент сцепления. При нормальном качении колеса, когда относительная скорость в точке касания колеса с путем теоретически равна нулю, коэффициент цен лен ин физически соответствует коэффициенту трения покоя.

Трение покоя является частным случаем трения скольжения при относительной скорости трущихся тел, равной нулю. В эксплуатационных условиях коэффициент сцепления не тождественен физическому коэф­фициенту трения покоя, так как в процессе качения леса возникает проскальзывание, т. е. скорость по­ступательного движения подвижного состава ниже поступательной скорости на ободе колеса.

Коэффициент сцепления является одним из основ­ных факторов, влияющих на эксплуатационные и технико-экономические показатели электрического транс-га. Поэтому его определение имеет исключительно важное значение. От коэффициента сцепления зависит выбор массы подвижного состава, допустимой скорости движения, наибольшего допустимого подъема, ускорения и замедления. При данном сцепном весе Gсц зна­чение коэффициента сцепления определяет наиболь­шие допустимые силы тяги и торможения подвижно­го состава, которые могут быть реализованы по усло­вию сцепления, т. е. коэффициент сцеплении показывает, какой части сцепного или тормозного веса подвиж­ного состава может быть равна предельная сила сцеп­ления, Например, при коэффициенте сцепления j = 0,2 наибольшее допустимое значение силы тяги Fmax = 200 Н на 1 кН сцепного веса Gсц .

На подвижном составе, как правило, имеется несколько колесных пар. Коэффициент сцепления подвижного сос­тава j в целом всегда меньше коэффициента сцепле­ния колеса jк. Это обусловлено рядом причин, основные из которых следующие: а) неравенство силы тяги или тормоз­ной силы отдельных осей вследствие неодинаковости диа­метров движущих колес и электромеханических ха­рактеристик двигателей; б) разный вес, приходящий­ся на движущие и тормозные оси; в) загрязнение рельсов и бандажей колес (на безрельсовом транспорте дорожного покрытия и шин). Коэффициент сцепления подвижного состава определяется коэффициентом сцеп­ления наиболее разгруженной оси. В результате выше­указанных обстоятельств значение расчетного коэф­фициента сцепления подвижного состава необходимо принимать меньше значения коэффициента сцепления од­ной колесной пары, так как при реализации силы тяги ни одна из движущих осей не должна буксовать, т. е.

 

j=jкhcтат hдин , (2.40)

 

где hcтат hдин - соответственно статический и динамический коэффи­циенты

уменьшения сцеплении.

 

Коэффициентом hстат учитывается разная развеска по осям, расхождение в электромеханических характе­ристиках двигателей, различие в диаметрах бандажей отдельных колес, несоосность силы тяги и силы сопротивления. Так, несоосность сил тяги и сопротивления приводит к тому, что одна колесная пара будет иметь большее значение Gсц и реализовывать большую силу тяги, а другая-меньшее значение Gсц и реализовы­вать меньшую силу тяги. При нормальной эксплуата­ции подвижного состава значение hcтат может поддер­живаться на некотором определенном уровне, близком к единице.

Коэффициент hдин в основном зависит от динамических свойств подвижного состава и колеблется в широких пределах. Большое влияние на него оказывают коле­бания подвижного состава. В результате этого изме­няется нажатие на колесные пары и появляется возмож­ность возникновения буксования. Возникновение инер­ционного момента вызывает перераспределение нажа­тий на колесные пары, что также уменьшает коэффи­циент сцепления. Поэтому для проведения тяговых рас­четов используют расчетный коэффициент сцепления jр.

Расчетный коэффициент сцепления. Расчетным ко­эффициентом сцепления jр называют такой коэф­фициент, который позволяет развить наибольшую тя­говую или тормозную силу при данной конструкции под­вижного состава.

Расчетный коэффициент сцепления jр можно оп­ределять экспериментальным путем. Измеряя скорость вращения осей, определяют момент начала буксования. Замеренная для этого момента сила (например, по току тяговых двигателей) позволяет получить зна­чение наибольшего реализуемого коэффициента сцеп­ления для данного режима. Проделав этот эксперимент большое число раз дли различных значений ско­ростей и обработав результаты, получают наиболее вероятные значения коэффициента сцепления j от ско­рости v для данного подвижного состава (рис. 2.7). Это значение принимают за расчетное. Значение коэф­фициента сцепления уменьшается с увеличением скорости движения. При очень больших скоростях движения его значение будет приближаться к значению коэффи­циента скольжения. В условиях городского транспорта, где скорость движения относительно низкая (не более 60 км/ч) и имеется много факторов, влияющих более сильно на сцепление, как-то: наполнение салона пас­сажирами, загрязнение рель­совых и дорожных путей, динамические воздействия, у коэффициент сцепления jр принимают не зависящим от скорости v.

Для наземного рельсового городского транспорта (трамвай) без индивидуального полотна на основании опытов получены значения коэффициента сцеп­ления 0,16 - 0,18, для загрязненных рельсов - 0,12 - 0,14. Для трамвая с индивидуальным полотном можно при­нять более высокие значения - 0,18 - 0,20. В небла­гоприятных условиях, например при листопаде, коэф­фициент сцепления трамвайных вагонов уменьшается до 0,06 - 0,08. В среднем расчетный коэффициент сцеп­ления трамвая без индивидуального полотна за исключе­нием дней листопада и гололеда принимается jр = 0,15.

 

 

 

 

Рис. 2.7. Зависимость коэффициента сцепления от скорости

 

Коэффициент сцепления троллейбуса колеблется в широких пределах в зависимости от метеорологиче­ских условий и состояния дорожного покрытия. При чистом, сухом усовершенствованном покрытии доро­ги он достигает 0,9-1,0. При загрязненной дороге, гололеде коэффициент сцепления уменьшается до 0,15 и даже до 0,1. В средних условиях для тяговых расче­тов можно принимать расчетный коэффициент сцеп­ления троллейбуса jр = 0,3÷0,35.

На основании эксплуатационных данных расчет­ные значения коэффициента сцепления электропоездов метрополитена могут быть приняты в пределах 0,20 - 0,22.

Учитывая, что нарушение сцепления в режиме тор­можения (юз) значительно опаснее, чем буксование при тяге, целесообразно выбирать значение коэффи­циента сцепления при торможении на 15-20% меньше, чем при тяге [17].

 

2.3. Сопротивление движению подвижного состава

 

2.3.1. Силы сопротивления движению и их учет

 

Природа сил сопротивления движению. При движе­нии подвижного состава возникают силы трения в его элементах, между колесами и рельсами или путем, между наружными поверхностями подвижного состава и окружа­ющим воздухом. При движении на подъеме или уклоне особое значение приобретает составляющая сила тя­жести.

Все эти силы представляют собой силы сопротив­ления движению подвижного состава. Результирующая сил сопротивления движению действует против направления движения подвижного состава. На крутых спусках она может принимать отрицательное значе­ние, т.о. совпадать с направлением движения.

На преодоление сил сопротивления затрачивает­ся работа, совершаемая тяговыми двигателями. Силы сопротивления приложены в различных точках под­вижного состава. Они зависят от скорости и месторас­положения подвижного состава, от его конструкции и верхнего строения пути, профиля и плана пути, от внешних условий.

Даже когда подвижной состав движется с постоянной скоростью и на неизменном уклоне, сопротивление движению не остается постоянным, так как непрерывно меняются внешние условия: подвижной состав проходит по неровностям пути или стыкам, в результате чего возникают колебания в подвижном составе, меняется сопротивление движению от трения наружных поверхностей подвижного состава и окружающего воздуха.

Под полным сопротивлением движению понимают экви­валентную силу, приведенную к ободам колес, на прео­доление которой затрачивается такая же работа, как и на преодоление всех действительных сил, противо­действующих движению.

Энергия, которая затрачивается на преодоление сил сопротивления, связанных с различными видами трения, невозвратима, так как тратится на истирание пути и деталей подвижного состава и превращается в тепло, рассеиваемое в окружающую среду. Энергия, которая затрачивается на преодоление подъемов, мо­жет быть возвращена, так как подвижной состав в этом случае накапливает потенциальную энергию, которую можно использовать на последующих участках пути или при движении в обратную сторону.

Полное сопротивление движению. Полное сопротив­ление движению поезда делят на следующие состав­ляющие.

1.Основное сопротивление движению W0, которое обус-
ловлено внутренним трением в подвижном составе, сопро-
тивлением от взаимодействия подвижного состава и пути
на прямом и горизонтальном участках и сопротивлением
от взаимодействия подвижного состава и воздуха (при
отсутствии ветра).

2. Сопротивление движению от уклонов Wi.

3.Сопротивление движению поезда от кривых участков пути Wкр. 4.Дополнительное воздушное сопротивление WД.

 

Таким образом, полное сопротивление движению представляют в

виде суммы

 

W=W0+Wi+Wкр+WД. , (2.41)

 

Если подвижной состав содержит несколько раз­личных подвижных единиц, то при расчетах полное сопротивление движению представляют в виде суммы сопротивления движению моторных вагонов åWм и со­противления движению прицепных вагонов åWв т. е.

W=åWм + åWв, (2.42)

 

Такое разделение является условным, так как силы соп­ротивления движению физически неотделимы и при­сущи подвижному составу в целом.

Для удобства выполнения тяговых расчетов сопротив­ление движению выражают в удельных единицах от­несенных к единице веса, Н/кН:

 

(2.43)

где mg - вес подвижного состава.

 

2.3.2. Основное сопротивление движению

 

Основное сопротивление движению зависит от многих факторов, поэтому теоретическим путем определить течение основного сопротивления движению очень сложно. Представим его в виде двух составляющих:

W0=Wо тр +W0 аэр , (2.44)

 

где Wо тр - составляющая основного сопротивления движению, обусловленная

трением в подшипниках подвижного состава, трением качения и скольжения

колес по рельсам или дороге, деформацией пути;

W0 аэр - сопротивление воздушной среды при отсутствии ветра.

 

Сопротивление движению от трения Wо тр. Наиболее су­щественной является величина Wо тр , состоящая из суммы отдельных компонентов:

 

Wо тр = Wп+Wк+WДеф+Wск. (2.45)

 

где Wп ,Wк , Wск - сопротивление движению от трения соответственно в

подшипниках подвижного состава, качения и скольжения колес по рельсам или

дороге;

WДеф - сопротивление движению от деформации пути.

 

Сопротивления движения подшипниках Wп. Силы трения в буксах колесных пар, в под­шипниках тяговых электродвигателей и передаточных механизмах зависят от коэффициентов трения и давления между трущимися поверхностями.

В момент трогания подвижного состава сопротивление воздушной среды, сопротивление движению со стороны пути будут равны нулю и все сопротивление движению будет сосредоточено в подшипниках. Особенно суще­ственна эта величина в подшипниках скольжения, так как в состоянии покоя между шейкой и вкладышем отсутствует жидкостная пленка, особенно после длитель­ной стоянки. В этом случае в момент трогания поезда движение шейки в подшипнике скольжения начинается при сухом трении, которому соответствует наибольшее значение коэффициента трения.

Затем, когда шейка оси приходит во вращение, она захватывает смазку. Начинается образование жидкостной пленки между вкладышем и шейкой и появление так назы­ваемого масляного клина, что способствует уменьшению коэффициента трения.

Коэффициент трения зависит также от температу­ры окружающего воздуха. При низкой температуре вязкость смазки увеличивается, что приводит к увеличению коэффициента тре­ния и соответственно сопро­тивления движению в момент трогания поезда после дли­тельной стоянки. При высо­кой температуре вязкость смазки уменьшается. Поэто­му в зимнее время следует применять менее вязкие смазочные материалы, в летнее время - наоборот.

При роликовых подшипниках составляющая сопро­тивления от трения будет меньше, так как коэффициента трения роликовых подшипников скольжения. Кроме того, при трогании подвижного состава, оборудованного ролико­выми подшипниками, не происходит заметного увели­чения коэффициента трения и, следовательно, сопро­тивления движению.

При трогании с места сопротивление от трения в роликовых буксах составляет около 10% соответствую­щего сопротивления букс со скользящими подшипни­ками и в меньшей степени зависит от продолжитель­ности стоянки поезда. Это является важным преиму­ществом роликовых подшипников.

На рис. 2.8 показана зависимость коэффициента трения в буксах от скорости движения для роликовых подшипников и подшипников скольжения. Здесь кривые 1 и 3 соответствуют густым смазкам, а кривые 2 и 4 - жидким.

Сопротивление от трения в буксах вагонов, осевых подшипниках колес троллейбуса зависит от отношения внутреннего диаметра подшипника к диаметру круга качения колеса, нажатия на шейку оси, коэффициента трения.

Коэффициент трения зависит от материалов, из ко­торых изготовлены шейки и подшипники, способа пода­чи масла к трущимся поверхностям, смазки, темпера­туры окружающего воздуха [16].

В пределах эксплуатационных скоростей коэффициент трения ф для подшипников скольжения в среднем равен 0,005 - 0,01 и для роликовых подшипников - 0,001 - 0,002. Этим ориентировочным значениям коэффициента трения соответствуют удельные значения основного сопротивле­ния движения от трения подвижного состава с подшипни­ками скольжения, равные 0,5-1,0 Н/кН, и с роликовыми подшипниками, равные 0,1-0,2 Н/кН.


 

Рис. 2.8. Зависимость коэффициента трения от скорости для подшипников скольжения (1,2) и роликовых (3,4)

 

Сопротивление от трения Wк. При качении колеса вдоль рельса или дороги под дейст­вием силы нажатия колеса на рельс происходит упругая деформация бандажа и рельса или колеса и дороги. Ко­лесо и рельс непрерывно меняют свою форму и снова ее восстанавливают. Сопротивление от трения качения коле­са зависит от нажатия колеса на рельс или дорогу, ра­диуса круга качения колеса, а также площади опорной поверхности колеса, причем чем больше эта площадь, тем выше потеря энергии и, следовательно, значение сопротив­ления движению.

Для рельсового транспорта площадь опорной поверх­ности определяется твердостью материала, из которого изготовлены бандажи колес и рельсы, профилем бандажа и головки рельса. Для безрельсового электрического транспорта с резиновыми колесами (пневматическими баллонами) площадь опорной поверхности колеса зависит от давления в баллонах, формы и состояния поверхности колес, а также от материала покрытия дороги. Удельное сопротивление движению от трения качения на рельсовом транспорте равно 0,2-0,4 Н/кН. На безрельсовом транс­порте оно значительно выше.

Сопротивление от трения скольжения Wск. В процессе движения подвижного состава одновре­менно с качением неизбежно и проскальзывание колес относительно рельсов. Это трение обусловлено различием диаметров кругов качения колес, закрепленных жестко на одной оси, конусностью бандажей, а также неровностью пути. Поэтому колесная пара при своем движении проскальзывает как вдоль, так и поперек рельса. На безрельсовом транспорте также происходит проскальзывание колес относительно пути.

На преодоление сил трения при проскальзывании затрачивается энергия, которая и определяет составляю­щую сопротивления движению от скольжения Wск. Подсчитать эту энергию сложно, так как при этом необ­ходимо учесть множество факторов.

Основными из них явля­ются скорость движения, конструкции подвижного состава, износ бандажей и рельсов. На рельсовом транспорте составляющая удельного сопротивления движению от скольжения колес не превышает 0,2-0,4 Н/кН.

Сопротивление движению от деформации пути WДеф . Так как строение пути неоднородно и обладает пере­менной упругостью, то при движении подвижного состава имеют место его де­формация и просадка. В свою очередь эти неров­ности пути вызывают колебания в отдельных эле­ментах подвижного состава, которые усиливают деформа­цию пути. Сопротивление движению от неровностей пути для рельсового транспорта при сварных стыках и хорошем состоянии пути незначительно. При плохом сос­тоянии и содержании пути эта составляющая сопро­тивления движению значительно увеличивается. На без­рельсовом транспорте это сопротивление зависит от не­ровностей пути по траектории качения колеса, от скорости движения.