Теория движения поезда является составной частью прикладной науки о
тяге поездов, изучающей вопросы движения поездов и работы
локомотивов. Для более ясного понимания процесса работы электровоза
необходимо знать основные положения этой теории.
Прежде всего рассмотрим основные силы, действующие на поезд при
движении,- это сила тяги F, сопротивление движению W и тормозная
сила В. Машинист может изменять силу тяги и тормозную силу; силой
сопротивления движению управлять нельзя.
Как же образуются эти силы, от чего они зависят?
Мы уже говорили, что каждая движущая колесная пара электровоза имеет
отдельный тяговый двигатель, который связан с ней зубчатым
редуктором (рис. 3, а). Малое зубчатое колесо редуктора (шестерня)
насажено на вал тягового двигателя, а большое - на ось колесной
пары. Отношение числа зубьев большого колеса к числу зубьев малого
называют передаточным отношением i. Если пустить в ход тяговый
двигатель, то на его валу создается вращающий момент. Частота
вращения колесной пары будет в i раз меньше частоты вращения вала
двигателя, зато вращающий момент соответственно в i раз больше (если
не учитывать коэффициента полезного действия зубчатой передачи) .
Рассмотрим условия, необходимые для того, чтобы электровоз начал
двигаться.
Если бы колеса электровоза не касались рельсов, то после пуска
тяговых двигателей они бы просто вращались, оставаясь на одном и том
же месте. Однако из-за того, что колеса локомотива соприкасаются с
рельсами при передаче на оси колесных пар вращающих моментов М,
между поверхностями колес и рельсами появляется сила сцепления.
Попутно отметим, что первоначально при создании первых локомотивов -
паровозов вообще сомневались в возможности движения их по <гладкому>
рельсовому пути. Поэтому было предложено создать зубчатое зацепление
между колесами паровоза и рельсами (паровоз Бленкинсона). Был также
построен локомотив (паровоз Брунтона), который передвигался по
рельсам с помощью специальных устройств, поочередно отталкивающихся
от пути. К счастью, эти сомнения не оправдались.
Момент М (см. рис. 3), приложенный к колесу, образует пару сил FK-FK1
с плечом R. Сила Fк направлена против движения. Она стремится
переместить опорную точку колеса относительно рельса в сторону,
противоположную направлению движения. .Этому препятствует
возникающая под действием нажатия колеса на рельс в опорной точке
сила реакции рельса, так называемая сила сцепления Fcu.
Согласно третьему закону Ньютона она равна и противоположна силе Fк,
т. е. Fcu= FK. Эта сила и заставляет
колесо, а следовательно, и электровоз перемещаться по рельсу.
В месте соприкосновения колеса с рельсом имеются две точки, одна из
которых принадлежит бандажу Аб, а другая - рельсу Ар. У электровоза,
стоящего неподвижно, эти точки сливаются в одну. Если в процессе
передачи колесу вращающего момента точка Аб сместится относительно
точки Ар, то в следующее мгновение с точкой Ар начнут поочередно
соприкасаться точки бандажа Бб, Вб и т. д. При этом локомотив не
приходит в движение, а если он уже двигался, то скорость его резко
уменьшается, колесо теряет упор и начинает проскальзывать
относительно рельса - боксовать.
Рис. 3. Схемы, поясняющие образование силы
тяги (а) и тормозной силы (б)
В случае когда точки Ар и А6 не имеют относительного смещения, в
каждый последующий момент времени они выходят из контакта, но
одновременно непрерывно вступают в контакт следующие точки: Бб с Бр,
В6 с Вр и т. д.
Точка контакта колеса и рельса представляет собой мгновенный центр
вращения. Очевидно, что скорость, с которой перемещается вдоль
рельсов мгновенный центр вращения, равна скорости поступательного
движения локомотива.
Для осуществления движения электровоза необходимо, чтобы сила
сцепления в точке касания колеса и рельса Fcu,
равная, но противоположная по направлению силе FK, не превышала
некоторого предельного значения. До тех пор, пока она его не
достигла, сила Fca создает реактивный момент FQIlR, который по
условию равномерного движения должен равняться вращающему моменту:
М= Fcu*R.
Сумма сил сцепления в точках касания всех колес электровоза
определяет общую силу, называемую касательной силой тяги Fк.
Нетрудно представить, что имеется некоторая максимальная сила тяги,
ограничиваемая силами сцепления, при которой еще не происходит
боксование.
Возникновение силы сцепления несколько упрощенно можно объяснить
следующим образом. На кажущихся гладкими поверхностях рельсов и
колес имеются неровности. Так как площадь соприкосновения
(контактная поверхность) колеса и рельса очень мала, а нагрузка от
колес на рельсы значительна, то в месте контакта возникают большие
давления. Неровности колеса вдавливаются в неровности на поверхности
рельсов, в результате чего происходит сцепление колеса с рельсом.
Установлено, что сила сцепления прямо пропорциональна силе нажатия -
нагрузке от всех движущихся колес на рельсы. Эту нагрузку называют
сцепным весом локомотива.
Для подсчета наибольшей силы тяги, которую может развить локомотив,
не превышая силы сцепления, кроме сцепного веса, необходимо еще
знать коэффициент сцепления. Умножив сцепной вес локомотива на этот
коэффициент, определяют силу тяги.
Проблеме максимального использования силы сцепления колес с рельсами
посвящены работы многих ученых и практиков. Окончательно она не
решена до сих пор.
Чем же определяется значение коэффициента сцепления? Прежде всего он
зависит от материала и состояния соприкасающихся поверхностей, формы
бандажей и рельсов. С повышением твердости бандажей колесных пар и
рельсов коэффициент сцепления увеличивается. При мокрой и
загрязненной поверхности рельсов коэффициент сцепления ниже, чем при
сухой и чистой. Влияние состояния поверхности рельсов на коэффициент
сцепления можно проиллюстрировать следующим примером. В газете
<Труд> от 13 декабря 1973 г. в заметке <Улитки против паровоза>
сообщалось о том, что один из поездов в Италии был вынужден
остановиться на несколько часов. Причиной задержки оказалось
огромное количество улиток, переползающих через железнодорожное
полотно. Машинист пытался провести поезд через эту движущуюся массу,
но безуспешно: колеса боксовали и он не мог сдвинуться с места. Лишь
после того, как поток улиток поредел, поезд смог тронуться.
Коэффициент сцепления зависит также он конструкции электровоза -
устройства рессорного подвешивания, схемы включения тяговых
двигателей, их расположения, рода тока, состояния пути (чем больше
деформируются рельсы или проседает балластный слой, тем ниже
реализуемый коэффициент сцепления) и других причин. Как влияют эти
причины на реализацию силы тяги, будет рассказано далее в
соответствующих параграфах книги. Коэффициент сцепления зависит
также от скорости движения поезда: в момент трогания состава он
больше, с возрастанием скорости реализуемый коэффициент сцепления
сначала несколько увеличивается, затем падает. Как известно,
значение его изменяется в широких пределах - от 0,06 до 0,5.
Вследствие того что коэффициент сцепления зависит от многих причин,
для определения максимальной силы тяги, которую может развивать
электровоз без боксования, пользуются расчетным коэффициентом
сцепления Он представляет собой отношение наибольшей силы тяги,
надежно реализуемой в условиях эксплуатации, к сцепному весу
локомотива. Расчетный коэффициент сцепления определяют по
эмпирическим формулам, зависящим от скорости; они получены на
основании многочисленных исследований и опытных поездок с учетом
достижений передовых машинистов.
При трогании с места, т. е. когда скорость равна нулю, коэффициент
г|)к у электровозов постоянного тока и двойного питания составляет
0,34 (0,33 для электровозов серии ВЛ8) и 0,36 для электровозов
переменного тока. Так, для электровоза двойного питания ВЛ82М,
сцепной вес которого Р= 1960 кН (200 тс), касательная сила тяги FK с
учетом расчетного коэффициента
FK= Р(фи)к= 1960 -0,34=666 кН (68 тс).
Если поверхность рельсов загрязнена и коэффициент сцепления
понизился, допустим, до 0,2, то сила тяги FK составит 392 кН (40
тс). При подаче песка этот коэффициент г|)к может возрасти до
прежнего значения и даже превысить его. Особенно эффективно
применение песка при малых скоростях движения: до скорости 10 км/ч
на мокрых рельсах коэффициент сцепления увеличивается на 70-75%.
Эффект от применения песка снижается с ростом скорости.
Очень важно обеспечить при трогании и движении наибольший
коэффициент сцепления: чем он выше, тем большую силу тяги может
реализовать электровоз, тем большей массы состав можно будет вести.
Сопротивление движению поезда W возникает вследствие трения колес о
рельсы, трения в буксах, деформации пути, сопротивления воздушной
среды, сопротивления, обусловленного спусками и подъемами, кривыми
участками колеи и т. п. Равнодействующая всех сил сопротивления
обычно направлена против движения и лишь на очень крутых спусках
совпадает с направлением движения.
Сопротивление движению разделяют на основное и дополнительное.
Основное сопротивление действует постоянно и возникает, как только
поезд начинает двигаться; дополнительное обусловлено уклонами пути,
кривыми, температурой наружного воздуха, сильным ветром, троганием с
места.
Рис. 4. Силы, действующие на поезд в режиме
тяги
Вычислить отдельные составляющие основного сопротивления движению
поезда очень сложно. Обычно его подсчитывают для вагонов каждого
типа и локомотивов разных серий по эмпирическим формулам, полученным
на основании результатов многих исследований и испытаний в различных
условиях. Основное сопротивление возрастает по мере увеличения
скорости. При больших скоростях в нем преобладает сопротивление
воздушной среды.
Учитывая основное сопротивление движению локомотива W', кроме
касательной силы тяги электровоза, вводят понятие силы тяги на
автосцепке F" (рис. 4): Fn= Fк- W''. При
условии равномерного движения Fn= W", где
W" - сопротивление движению состава1.
В процессе ведения поезда для уменьшения скорости, остановки или для
поддержания его постоянной скорости на спусках применяют тормоза,
создающие тормозную силу В. Тормозная сила образуется вследствие
трения тормозных колодок о бандажи колес (механическое торможение)
или при работе тяговых двигателей в качестве генераторов. В
результате прижатия тормозной колодки к бандажу силой К (см. рис. 3,
б) на нем возникает сила трения Т= фк*K,
где фк - коэффициент трения. Благодаря этому образуется сила
сцепления В на бандаже в точке его соприкосновения с рельсом, равная
силе Т. Сила В является тормозной: она препятствует движению поезда.
Рис. 5. Кривая изменения скорости при
движении поезда на перегоне
Максимальное значение тормозной силы определяется теми же
условиями, что и силы тяги Fк.
Коэффициент трения тормозных колодок о бандаж зависит от скорости
движения, удельного нажатия колодок на колесо и их материала. Этот
коэффициент с повышением скорости и удельного нажатия уменьшается
вследствие повышения температуры трущихся поверхностей. Поэтому
применяют двустороннее нажатие на колеса при торможении.
В зависимости от приложенных к поезду сил различают три режима
движения поезда: тяга (движение под током), выбег (без тока),
торможение.
В момент трогания и в период дальнейшего движения под током на поезд
действуют сила тяги FK и сопротивление движению поезда W. Характер
изменения скорости в зависимости от времени на участке кривой OA
(рис. 5) определяется разностью сил FK и W, называемой ускоряющей
силой тяги. Чем больше эта разность, тем больше ускорение поезда.
Сопротивление движению, как уже было отмечено,- величина переменная,
зависящая от скорости. С увеличением скорости оно возрастает.
Поэтому если сила тяги неизменна, ускоряющая сила тяги будет
уменьшаться. После некоторой точки О' сила тяги уменьшается. Затем
наступает такой момент, когда FK= W и поезд под током двигается с
постоянной скоростью (участок кривой АБ).
Далее машинист может отключить двигатели и продолжить движение на
выбеге (участок Б В) за счет кинетической энергии поезда. При этом
на поезд действует только сила сопротивления движению W, снижающая
его скорость, если поезд не движется по крутому спуску. При
включении машинистом тормозов (от точки В до точки Г) на поезд
действуют две силы - сопротивление движению W и тормозная сила В.
Скорость поезда снижается. Сумма сил B и
W представляет собой замедляющую силу.
Возможен и такой случай движения, когда поезд движется по крутому
спуску и машинист использует тормозную силу для поддержания
постоянной допустимой скорости.
