Коэффициент сцепления и коэффициент трения

Лекций 1

Тема – «Основы торможения».

Цель: Изучить назначение тормозов подвижного состава и принципы образование тормозной силы, причины заклинивания колесных пар, параметры тормозного пути, историю развития тормозов.

План:

1. Назначение тормозов подвижного состава и образование тормозной силы.

2. Коэффициент сцепления и коэффициент трения.

3. Действительная и расчетная сила нажатия тормозных колодок.

4. Заклинивание колесных пар.

5. Тормозной путь.

6. Краткая история развития тормозов.

Рекомендуемая литература:

Автоматические тормоза подвижного состава. Курилкин Д.Н., Панченко М.Н., Базилевский Ф.Ю., Грачев В.В., Грищенко А.В.

Контрольные вопросы:

1. Объясните назначение тормозов подвижного состава.

2. Что такое коэффициент сцепления колеса с рельсом. Объясните процесс его образования.

3. Что такое коэффициент трения.

4. От чего зависит действительный коэффициент трения и как он определяется.

5. Объясните зачем введен расчетный коэффициент трения и как он определяется.

6. Образование действительной силы нажатия колодки на колесо.

7. Расчетная сила нажатия колодки на колесо, как определяется и для чего введена.

8. Условие безъюзового торможения.

9. Явление юза. Как и почему возникает. В чем заключается опасность возникновения юза.

10. Определение тормозного пути. Действительный и подготовительный тормозной путь. Основные расчетные соотношения.

11. Когда возникли тормоза на подвижном составе.

Назначение тормозов подвижного состава и образование тормозной силы.

Назначение тормозов подвижного состава.

Для остановки поезда при движении его на прямом горизонтальном участке пути достаточно просто выключить тяговые двигатели локомотива (перевести гидропередачу в режим холостого хода), и через определенный промежуток времени поезд остановится благодаря естественным силам сопротивления движению поезда. Однако, в этом случае, за счет силы инерции поезд пройдет значительное расстояние, прежде чем остановиться. Для сокращения этого расстояния необходимо искусственно увеличить силы сопротивления движению поезда.

Устройства, применяемые в поездах для искусственного увеличения сил сопротивления движению, называются тормозными устройствами (тормозами), а силы, создающие искусственное сопротивление, — тормозными силами.

Тормозные силы и силы сопротивления движению гасят кинетическую энергию движущегося поезда. Наиболее распространенным средством для получения тормозных сил является колодочный тормоз, при котором торможение осуществляется прижатием колодок к вращающимся колесам, благодаря чему возникают силы трения между колодкой и колесом. При трении колодок о колеса происходит разрушение мельчайших выступов поверхности, а также молекулярное взаимодействие микронеровностей контактирующих поверхностей. Трение тормозных колодок можно рассматривать как процесс превращения механической работы сил трения в тепло.

Образование тормозной силы.

Если к катящемуся по рельсу колесу, нагруженному силой (рис.1.1), прижать тормозную колодку с силой, то между поверхностью катания колеса и колодкой возникнет сила трения, где — коэффициент трения между колодкой и колесом.

Рис.1.1

Со стороны колеса на колодку и далее на подвеску, раму и буксу действует реактивная сила, равная силе и противоположно направленная. Сила по отношению к колесу является внутренней силой, которая сама по себе не может произвести торможение; она создает момент, направленный против вращения колеса. Под действием момента в точке а контакта колеса с рельсом возникает сила, действующая на рельс со стороны колеса и стремящаяся сдвинуть его. Внешняя сила, действующая па колесо со стороны рельса, численно равная силе и направленная в сторону, обратную движению, и является тормозной силой:.

Момент силы трения, направленный против вращения колеса, называется тормозным моментом:
.
Таким образом, тормозная сила реализуется в точках контакта колес с рельсами.

Коэффициент сцепления и коэффициент трения.

Качение колеса по рельсу происходит за счет силы сцепления действующей между ними и приложенной в точке контакта:

где — коэффициент сцепления.

Между колесом и рельсом на контактируемых площадях давление достигает 12 — 15 тыс. кгс/см2. В зоне контакта происходит механическое вдавливание и молекулярное притяжение контактируемых поверхностей. Таким образом, сцепление колес с рельсами физически представляет процесс, при котором происходит преодоление механического зацепления и молекулярного притяжения контактируемых поверхностей.

Коэффициент сцепления, равный отношению максимально возможной силы сцепления к действительной нагрузке колеса на рельс, зависит от состояния поверхности рельсов и колес, от нагрузки колеса на рельс и скорости движения. Для грузовых вагонов при скоростях от 20 до 120 км/ч и нагрузке колесной пары на рельс от 6 до 22 тс (от 60 до 220 кН) коэффициент сцепления изменяется от 0,13 до 0,07 и для пассажирских при скоростях от 40 до 160 км/ч — от 0,14 до 0,09. Во время тумана, росы, при моросящем дожде, особенно при образовании на рельсах инея и загрязненных рельсах, коэффициент сцепления уменьшается и может быть менее 0,04. При сильном дожде, когда рельсы чистые, коэффициент сцепления остается таким же, как и при сухих рельсах. При входе колес в кривые участки пути и при выходе из них уменьшается на 5-10%. Коэффициент сцепления повышается до при подсыпке песка на рельсы и различных способах очистки их. Расчетный коэффициент сцепления колес с рельсами определяется по формуле

;

где - нагрузка от колесной пары на рельсы (осевая нагрузка), кН;

- функция скорости, параметры которой зависят от типа подвижного состава.

Значения расчетных коэффициентов сцепления для разных типов подвижного состава при скоростях движения, принимаемых для проверки отсутствия заклинивания колесных пар приведены в табл.1.1.

Таблица №1.1. Расчетные коэффициенты сцепления для различных типов подвижного состава.

Величина коэффициента трения тормозной колодки зависит от многих факторов: материала колодки, скорости движения, удельного давления колодки, материала колеса, состояния рельсов и др. Коэффициент трения показывает, какую часть от силы нажатия составляет сила трения. Для чугунных стандартных тормозных колодок действительный коэффициент трения определяется из соотношения:
;
где — сила нажатия на колодку, кН; — скорость движения поезда, км/ч.
Для композиционных колодок используется соотношение:
.
На рис.1.2 и рис.1.3 приведены зависимости действительных коэффициентов трения чугунных и композиционных колодок от скорости движения при различных нажатиях на колодку.

Рис.1.2.

Рис.1.3.