Сила тяги локомотива и ее реализация

В локомотивах образование движущей силы (силы тяга) происхо­дит вследствие взаимодействия колесных пар с рельсами за счет вра­щающего момента, создаваемого тяговым двигателем (рис.8.1).

К колесной паре 1 приложен вращающий момент М_К, который пе­редается от двигателя 2 через зубчатый редуктор, состоящий из шес­терни 3 и зубчатого колеса 4. Шестерня 3 закреплена на валу ТЭД, а зубчатое колесо 4 - на оси колесной пары.

Вращающий момент на колесной паре равен

М_К = М_Д µ η₃, Нм,

(8.1)

где М_Д - момент на валу двигателя, Им;

µ - передаточное число зубчатой передачи;

η₃- коэффициент полезного действия зубчатой передачи.

Момент М_К обычно представляют в виде пары сил F₁ и F₂ с плечом D_К/2, одна из которых (F₁) приложена к ободу колеса в точке касания с рельсом (точка А), а другая (F₂) - к оси колесной пары. Поскольку силы F₁ и F₂, действующие на колесную пару, равны по величине и противо­положно направлены, то они уравновешивают друг друга и не вызыва­ют поступательного движения колес. В то же время, силы F₁ и F₂ могут создать вращение колеса. Подтверждением этого является следующий факт: колесные пары, вывешенные на домкратах над поверхностью рельса, при включении ТЭД начинают вращаться, однако движение ло­комотива отсутствует.

Очевидно, что поступательное движение колесной пары будет воз­можно в том случае, если скомпенсировать действие силы F₁ какой-либо дополнительной силой и нарушить тем самым баланс сил F₁ и F₂. Подобная ситуация возникает, когда колесная пара (далее для сокраще­ния - колесо) контактирует с рельсом и прижата к нему силой тяжести G_Т.

 

 

1- колесная пара;

2- тяговый электродвигатель;

3- шестерня;

4- большое зубчатое колесо

 

 

Рис.8.1. Образование силы тяги

 

Сила тяжести G_Т, приходящаяся на одну ось локомотива, прило­жена к колесу и через точку контакта А действует на рельс (рис.6.1). Реакция рельса на колесо G_Р по III закону Ньютона равна значению си­лы тяжести G_Т по модулю и противоположна ей по направлению. Ука­занные силы, действующие на колесо в вертикальной плоскости, урав­новешивают друг друга.

В горизонтальной плоскости к ободу колеса приложена сила F₁, ко­торая, как и сила тяжести G_T, через точку контакта А действует на рельс (сила F₁ направлена вдоль поверхности рельсов, поэтому в случае их ненадежного крепления имеет место явление, известное как "угон пу­ти"). Реакция рельса F_Р по III закону Ньютона равна силе F₁ no модулю и противоположна ей по направлению. Поэтому силы F₁ и F_Р, дейст­вующие на колесо в точке А, уравновешивают друг друга. Сила F₂ оста

ется неуравновешенной, что вызывает качение колеса и его поступа­тельное движение относительно рельса.

Следовательно, движущей силой (силой тяги) колесной пары яв­ляется сила F₂, развиваемая тяговым двигателем. Для удобства расчета ее значений, на практике в качестве силы тяги условились считать силу реакции рельса F_Р, равную по величине силам F₁ и F₂ [11]. При этом значения сил определяют, рассматривая равенство моментов

F_Р D_K / 2 = M_K,

из которого следует, что

F₂ = F_Р = 2 M_K / D_К = 2 М_Д µ η₃ / D_К, H.

Отметим, что данное уравнение было использовано при построении электротяговых характеристик локомотивов для расчета силы тяги ТЭД на ободе колеса F_КД (формула (7.15)).

Поскольку сила F_Р действует по касательной к колесу, ее называют касательной силой тяги. Для локомотива в целом касательную силу тяги F_К можно определить как

F_K = n_oc F_Р = m F_КД, H,

(8.2)

где п_ос - число движущих осей локомотива;

m - количество тяговых электродвигателей на локомотиве.

Таким образом, качение колесной пары по рельсу происходит, если к ней приложена пара сил F₁ и F₂ (вращающий момент от тягового дви­гателя) и сила F₁ уравновешена реакцией рельса F_Р. Сформулируем осо­бенности силы F_Р как касательной силы тяги:

> сила F_Р, будучи силой реакции, возникает только под действием силы F₁, равна ей по модулю и поэтому пропорциональна величине вра­щающего момента ТЭД М_Д;

> реакция F_p, будучи по природе силой т рения, возникает при наличии контакта колеса с рельсом и силы, прижимающей их друг к другу (силы тяжести); уровень силы F_p не может превосходить некоторой максимальной величины, которую называют с илой сцепления колес с рельсами Р_СЦ.

Итак, касательная сила тяги - это сила реакции рельса на колесо, возникающая под действием внешнего вращающего момента и ог­раниченная силой сцепления колеса с рельсом.

При увеличении вращающего момента на колесе М_К касательная сила тяги F_Р, равная силе тяги ТЭД F_КД, возрастает вплоть до уровня, со­ответствующего силе сцепления F_СЦ (зона I на рис.8.2). Дальнейшее по­вышение момента М_К (зона II) приводит к нарушению условия качения колеса F₁=F_P. Сила F₁ равная F_КД, не уравновешивается силой F_Р, равной F_СЦ. В результате происходит срыв сцепления и начинается боксование, то есть проскальзывание колеса относительно поверхности рельса, при котором частота вращения якоря ТЭД n_д резко увеличивается.

Рис.8.2. Зависимость касательной силы тяги F_Р от силы тяги ТЭД F_КД и силы сцепления колеса с рельсом F_СЦ

-касательная сила тяги F_p;

- сила тяги, развиваемая ТЭД, F_КД=F₁;

-сила сцепления колеса с рельсом F_СЦ

 

Боксование приводит к интенсивному износу рабочих поверхнос­тей колеса и рельса, разрушению вращающихся деталей якоря ТЭД под действием центробежных сил, возникновению кругового огня на кол­лекторе ТЭД и другим опасным явлениям. Чтобы не допускать их, ус­тановлены технические условия устойчивого движения локомотива, ко­торые описываются неравенством [11]

F_Кmax ≤ ψ₀ P_СЦ

(8.3)

где F_Kmax- максимально допустимая касательная сила тяги локомотива,
ψ₀ - потенциальный (максимальный) коэффициент сцепления;
P_СЦ - сцепной вес локомотива (вес, приходящийся на движущие ко­
лесные пары и участвующий в создании силы тяги).
P_СЦ = 9,81 n_ОС 2П, KH,

(8.4)

где 2П - осевая нагрузка локомотива, т (исходные данные).

Неравенство (8.3) выражает основной закон локомотивной тяги: для обеспечения устойчивости управляемого движения локомотива окружные усилия на оводах движущих колес, создаваемые тяговыми дви­гателями, не должны превосходить силу сцепления колес с рельсами.

Коэффициент сцепления, а следовательно и сила сцепления, яв­ляются случайными величинами, на которые оказывают влияние много­численные факторы: качество ремонта и содержания локомотивов, ме­теорологические условия поездки, текущее состояние пути и др. Для ло­комотивов одной серии при одинаковой скорости движения разброс возможных значений коэффициента сцепления относительно его сред­него значения достигает ±50% [10].

Поэтому для обеспечения устойчивости локомотивов против бок-сования устанавливают так называемый расчетный коэффициент сце­пления ψ_K, величина которого меньше потенциального ψ₀. При этом сила тяги по сцеплению составляет

F_КСЦ = ψ_K Р_СЦ, кН.

(8.5)

Расчетный (нормативный) коэффициент сцепления локомотива ψ_K определяют экспериментальным путем и задают так, чтобы обеспечить практически приемлемую надежность движения полновесных поездов (поездов расчетной массы) по тяжелым подъемам при плохих условиях сцепления [12].

В данной курсовой работе характеристики сцепления ψ_K=f(V) можно считать следующими [13]:

- для электровозов постоянного тока

ψ_K =0,28 + 3 / (50 + 20 V) - 0,0007 V;

(8.6)

- для магистральных тепловозов

ψ_K = 0,118 + 5 / (V + 27,5).

(8.7)

Для построения тяговых характеристик локомотивов предвари­тельно необходимо рассчитать силу тяги по сцеплению F_КСЦ при различ­ной скорости движения локомотива по формулам (8.4)-(8.7). Получен­ные значения внести в таблицу 8.1.

Таблица 8.1.

Сила тяги локомотива по сцеплению

V, км/ч
ψK
FКСЦ, КН

 

Диапазоны изменения скорости можно, в первом приближении, принять равными 0-30 км/ч для тепловозов и 0-50 км/ч для электрово­зов