Что такое основное сопротивление движению поезда
Основное сопротивление движению поезда.
Основное сопротивление движению поезда, это сила сопротивления, действующая на поезд при движении его по прямому, горизонтальному участку пути при отсутствии ветра.
Оно складывается из сопротивлений от внутреннего трения подвижного состава, сопротивления от взаимодействия пути и подвижного состава и сопротивления от воздушной среды.
Сопротивление от внутреннего трения подвижного состава складывается из трений: щёток о коллектор, якоря о воздух, в зубчатой передаче, моторно-якорных, моторно-осевых подшипниках электровоза, в буксовых подшипниках электровоза и вагонов.
Сопротивление от взаимодействия пути и подвижного состава. При движении между колесом и рельсом из-за неравенства диаметров бандажей, виляния тележек, от прижатия в кривых гребней бандажей к внутренней грани наружного рельса возникает трение скольжения. Кроме того, колесо набегает на торцы рельс на стыках и на крестовины стрелочных переводов, воспринимает удары от неровностей пути (лыски или ползуны от боксовки) и само передает удары на путь, особенно сильно, при наличии ползунов или овальности бандажей.
Сопротивление от воздушной среды. Это сопротивление складывается из лобового, межвагонного и кормового. Оно увеличивается с увеличением скорости.
Полное основное сопротивление уменьшается при правильном уходе за узлами трения и их своевременной смазке, при правильном содержании механической части, бандажей колесных пар, рельсовой колеи, стрелочных переводов, применении безстыкового пути, при обтекаемой форме пассажирских локомотивов и электропоездов, при закрытых дверях и люках в грузовых поездах, а также при правильном формировании состава: желательно иметь одно лобовое сопротивление (только от электровоза) и не более.
Основное сопротивление складывается из полного основного сопротивления электровоза и состава
Удельное сопротивление для локомотивов и вагонов состава для скоростей, кратных десяти подсчитывается по эмпирическим формулам.
Дополнительное сопротивление.
Дополнительное сопротивление движению складывается из сопротивления от подъёма (уклона) и кривой.
Дополнительное сопротивление от подъёма. Поскольку с увеличением крутизны подъёма пропорционально увеличивается удельное сопротивление от подъёма, удельное сопротивление от подъёма принято считать равным его величине, например при крутизне подъёма j = 10 тысячных удельное сопротивление от этого подъёма равно 10 кгс/ т.
Полное сопротивление от подъёма равно удельному сопротивлению, от подъёма умноженному на вес электровоза и состава, т.е. на вес поезда:
Дополнительное сопротивление от кривой. В кривых гребни бандажей прижимаются к боковой грани наружного рельса. Чем меньше радиус кривой и меньше поперечные разбеги колёсных пар, тем больше удельное сопротивление от кривой. Кроме этого, в кривых возникают дополнительные усилия в опорах кузова и автосцепках электровоза и состава.
Удельное сопротивление от кривой подсчитывается по опытной формуле:
Полное сопротивление от кривой равно удельному сопротивлению от кривой, умноженному на вес поезда:
Для уменьшения дополнительного сопротивления применяют гребнесмазыватели различной конструкции, а при реконструкции ж.д. увеличивают радиус кривых и уменьшают крутизну подъёмов.
Добавочное сопротивление.
В отличие от основного и дополнительных сопротивлений, которые всегда присутствуют при движении поезда, это сопротивление может быть не всегда. К нему относятся следующие виды сопротивлений: сопротивление от ветра, от низких температур, от трогания с места, от воздушной среды в тоннелях и подвагонных генераторов в пассажирских поездах.
Сопротивление от ветра. Встречный или боковой ветер создает добавочное сопротивление движению. Учитывается на участках с постоянными ветрами в процентах от основного сопротивления.
Сопротивление от низких температур. Возникает из-за повышения вязкости смазки в узлах трения. Учитывается при температурах наружного воздуха ниже 25 градусов в процентах от основного сопротивления. Как правило, при таких температурах снижается вес поезда, особенно на участках, где весовая норма поезда установлена по сцеплению
Сопротивление от трогания с места. Возникает из-за увеличения трения скольжения и вдавливания колес поезда в неровности пути. После остановки смазка занимает свободное пространство, и трогание с места происходит при полусухих подшипниках, особенно при подшипниках скольжения. Это сопротивление подсчитывается по эмпирическим формулам, которые учитывают тип подшипников и нагрузку на ось вагона.
Основное сопротивление движению поезда.
Основное сопротивление движению поезда, является одной из составляющих при расчетах полного сопротивления движению поезда.
Полное сопротивление движению поезда делят на следующие составляющие:
1. Основное сопротивление движению Wo, которое обусловлено внутренним трением в подвижном составе, сопротивлением 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 Wкр.
4. Дополнительное воздушное сопротивление Wд.
Таким образом, полное сопротивление движению представляют в виде суммы
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:
Рассмотрим подробнее основное сопротивление движению поезда.
Основное сопротивление движению зависит от многих факторов, поэтому теоретическим путем определить значение основного сопротивления движению очень сложно. Представим его в виде двух составляющих: основного сопротивления движению, обусловленная трением в подшипниках подвижного состава, трением качения и скольжения колес по рельсам или дороге, деформацией пути и сопротивление воздушной среды при отсутствии ветра:
Сопротивление движению от трения. Наиболее существенной является величина Wo тр, состоящая из суммы сопротивления движению от трения в подшипниках подвижного состава, качения и скольжения колес по рельсам или дороге и сопротивление движению от деформации пути:
.
Сопротивление трения в подшипниках. 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.
Сопротивление от кривой.
Сопротивление от кривой, является одной из составляющих при расчетах полного сопротивления движению поезда.
Полное сопротивление движению поезда делят на следующие составляющие:
1. Основное сопротивление движению Wo, которое обусловлено внутренним трением в подвижном составе, сопротивлением 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 Wкр.
4. Дополнительное воздушное сопротивление Wд.
Таким образом, полное сопротивление движению представляют в виде суммы
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:
Рассмотрим подробнее сопротивление от кривой.
На рельсовом транспорте колеса на одной оси жестко связаны между собой. Поэтому при движении в кривых колеса, закрепленные на одной оси, совершают неодинаковый путь. Чем меньше радиус кривизны, тем больше разность путей, проходимых колесами одной оси.
В результате экспериментальных исследований были получены выражения, которые учитывают основные факторы, влияющие на значение удельного сопротивления движению от кривых. Наиболее распространенное выражение имеет вид:
,
где φ – коэффициент трения скольжения между колесом и рельсом;
D – диаметр колеса, м;
На практике пользуются усредненными величинами
Сопротивление от уклона.
Сопротивление от уклона, является одной из составляющих при расчетах полного сопротивления движению поезда.
Полное сопротивление движению поезда делят на следующие составляющие:
1. Основное сопротивление движению Wo, которое обусловлено внутренним трением в подвижном составе, сопротивлением 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 Wкр.
4. Дополнительное воздушное сопротивление Wд.
Таким образом, полное сопротивление движению представляют в виде суммы
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:
Рассмотрим подробнее сопротивление от уклона.
Когда подвижной состав движется по прямолинейному уклону, то, помимо горизонтального, он совершает вертикальное перемещение. Составляющая силы тяжести, направленная по движению подвижного состава, зависит от крутизны пути и является силой сопротивления движению от уклона Wi (рис. 2.).
Уклон профиля пути, выраженный в тысячных долях, (‰)
,
,
hк и hн – высоты соответственно в конце и начале уклона, м; l – длина рассматриваемого участка пути с уклоном, м.
Рис. 2. Определение сопротивления движению от уклона
Подставляя выражение (2) в выражение (1), получим, ‰
.
,
.
Удельное сопротивление движению от уклона, Н/кН,
.
Как следует из выражения (3), удельное сопротивление движению от уклона численно равно уклону в тысячных долях и не зависит ни от скорости, ни от типа подвижного состава. Формула (3) выведена при движении на подъеме. Но она будет справедлива и для движения на спуске. На спуске составляющая силы тяжести направлена по движению подвижного состава и является ускоряющей силой. Это учитывается в формуле (3) тем, что на спусках значение уклона i является отрицательным.
Последнее изменение этой страницы: 2019-04-20; Просмотров: 266; Нарушение авторского права страницы
6.8 Сопротивление движению поезда
Силами сопротивления называются внешние силы, приложенные к поезду и направленные в сторону, противоположную движению. Некоторые из этих сил действуют постоянно и создают основное сопротивление движению. К этим силам относятся, в частности, силы трения в подшипниках, удары в рельсовых стыках, силы трения между колесами и рельсами, сопротивление воздушной среды.
За основное принимают сопротивление, которое испытывает поезд при движении по прямому горизонтальному участку пути с равномерной скоростью при нормальных метеорологических условиях, то есть при температуре от минус 10 до плюс 20 градусов Цельсия и при скорости ветра не более 5 м/с.
Временно действующие силы сопротивления создают дополнительное сопротивление движению поезда. Оно появляется при движении по кривому участку пути, на подъем, при метеоусловиях, отличных от нормальных и в некоторых других случаях.
В тяговых расчетах принято, что все силы сопротивления, измеряемые в килограммах, относят к одной тонне веса поезда и называют удельными. Они измеряются в кГс/тс. Основное удельное сопротивление движению локомотива обозначается wo’, а движению вагона wo».
Основное сопротивление движению локомотивов рассматривается как сопротивление перемещению любой повозки, так как оно возникает в экипажной части. В этом случае считается, что зубчатые передачи от тяговых электродвигателей к движущим осям разъединены. Поэтому основное удельное сопротивление локомотива wQ’ часто называют удельным сопротивлением локомотива как повозки.
Так как на локомотивах всегда имеются тяговые электродвигатели, а также передаточный механизм от них к ведущим осям, то появляется дополнительное сопротивление от сил трения в механической передаче и от потерь электроэнергии в тяговых электродвигателях. Это дополнительное сопротивление называется сопротивлением локомотива, как машины. В тяговых расчетах оно не учитывается, так как сила тяги на ободе колеса FK определяется с учетом КПД локомотива.
Сопротивление от трения в буксовых подшипниках возникает при вращении шейки оси относительно корпуса буксы. При этом происходит трение качения роликов по беговым дорожкам колец, трение между деталями подшипников и смазкой и внутреннее трение между слоями смазки. Теоретически рассчитать сопротивление движению от подшипников весьма сложно, поэтому при тяговых расчетах используются экспериментальные данные, получаемые в опытных поездках.
Одной из составляющих основного сопротивления является сопротивление от качения колес по рельсам. Вследствие упругости бандажной и рельсовой стали, а также из-за больших давлений, передаваемых от колеса на рельс, касание колеса с рельсом происходит не в точке, а по небольшой контактной площадке, имеющей форму эллипса (рис. 6.26). На этом рисунке также показаны кривые распределения удельных давлений на опорной поверхности бандажа 1 и рельса 2.
При движении колеса оно гонит по рельсу упругую волну. Все это вызывает относительные перемещения колеса и рельса, а также рельса, шпал и балласта, сопровождаемые трением, что создает сопротивление движению.
Профиль поверхности катания колеса имеет конусную форму, что приводит к проскальзыванию колес по рельсам при качении и к появлению сил трения, вызывающих сопротивление движению. Силы трения между колесом и рельсом возникают также и при поперечном перемещении колесных пар в рельсовой колее, что происходит постоянно из-за виляния колесной пары.
Наличие на пути стыков между рельсами также вызывает появление сопротивления движению. При качении колеса по рельсу вблизи стыка, конец рельса, на котором находится колесо, прогибается. Колесо набегает на свободный конец соседнего рельса и ударяет о него, что увеличивает сопротивление.
На бесстыковом пути сопротивление движению подвижного состава уменьшается в пределах от 4 до 16 % в зависимости от скорости движения и осевой нагрузки. Это дает возможность либо увеличить скорость движения на 2—3 %, либо получить экономию топлива или электроэнергии на 3—4 %.
На движущийся поезд оказывает также воздействие окружающая воздушная среда. Она вызывает постоянно действующее аэродинамическое сопротивление движению. Лобовая поверхность локомотива подвергается давлению воздуха, а у боковых поверхностей поезда в целом и у тыловой части последнего вагона возникает разрежение и происходит завихрение воздуха. Кроме того, существует трение между воздухом и поверхностями поезда. Все эти факторы и создают аэродинамическое сопротивление. Многочисленные испытания макетов локомотивов и вагонов в аэродинамических трубах показали, что величина аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости поезда и в значительной степени зависит от степени обтекаемости локомотивов и вагонов. Идеально обтекаемой формой считается форма падающей капли. Именно поэтому такая форма придается скоростным поездам (рис. 6.27).
Расчетные формулы и графические зависимости для определения основного удельного сопротивления в зависимости от типа и конструктивных особенностей подвижного состава приводятся в Правилах тяговых расчетов (ПТР). Например, для грузовых четырехосных вагонов с осевой нагрузкой qn при скорости движения v основное удельное сопротивление равно:
На участках пути, имеющих подъем, возникает дополнительное сопротивление движению. Оно вызывается работой составляющей силы тяжести, направленной против движения параллельно линии подъема. На спуске эта составляющая сопротивления не создает, а является ускоряющей силой. Величина дополнительного удельного сопротивления от подъема численно равна величине подъема, выраженной в тысячных. Например, при движении поезда на подъем с крутизной 8‰ удельное сопротивление от подъема будет wi — 8 кГс/тс. На уклоне wi принимается со знаком минус.
При движении в кривых участках пути появляется дополнительное сопротивление wr, вызываемое трением в ходовых частях подвижного состава, а также трением бандажа и гребня колеса о рельс. Это сопротивление определяется по эмпирической формуле:
где R — радиус кривой в м.
После стоянки поезда слой смазки в подшипниках уменьшается, а вязкость смазки увеличивается из-за ее остывания. Это приводит к появлению дополнительного сопротивления при трогании с места.
При тяговых расчетах для пассажирских поездов необходимо учитывать дополнительное сопротивление движению, создаваемое подвагонными генераторами, мощность которых на вагонах без кондиционирования воздуха составляет 8—10 кВт, а на вагонах с кондиционированием 28—32 кВт.
На скоростном подвижном составе одним из элементов тормозной системы являются дисковые тормоза. Тормозные диски (рис. 6.28) имеют вентиляционные каналы, расположенные между лопатками.
Таким образом, тормозной диск является своеобразным вентилятором. При скоростях движения 240— 250 км/ч через тормозной диск может прокачиваться 3000—4000 м3 воздуха в час. На это затрачивается определенная мощность. Поэтому при тяговых расчетах скоростных поездов необходимо учитывать дополнительное сопротивление движению от тормозных дисков. Полное сопротивление движению поезда на подъеме в кривом участке пути в общем случае складывается из сопротивления локомотива и сопротивления вагонов:
Полное удельное сопротивление поезда будет равно: 
Расчет массы локомотива и вагонов производится в тс, а сопротивления в кГс.
Основное сопротивление движению поезда
Основное сопротивление поступательному движению возникает в результате: трения в буксовых подшипниках; от сопротивления качения колёс по рельсам; трения скольжения колёс по рельсам; сопротивления от рассеивания энергии движения поезда верхним строением пути и подвижным составом; воздушного сопротивления; сопротивления за счёт работы поглощающих аппаратов автосцепок состава.
Рисунок 1. Сопротивление движению от трения в подшипниках буксового узла: К1 – сила сопротивления движению от трения в подшипнике буксового узла; DK – диаметр колесной пары по кругу катания; Fб – сила трения качения подшипника в буксе.
Сила сопротивления от трения подшипников букс колёсных пар (рисунок 1). Поступательное движение подвижного состава сопровождается качением колёс по рельсам, вращение которых возможно за счёт сцепления колес с рельсами и подшипников осей колёсных пар. От трения в подшипниках букс возникает момент (Мп) сопротивления вращению колесной пары. Этот момент направлен против момента вращения колеса (Мк) при поступательном движении. Величина момента сопротивления от трения в подшипниках букс зависит от: конструкции подшипника (скольжения или качения); конструкции буксового узла (челюстная, поводковая букса); качества сборки при монтаже буксового узла; от смазки – её чистоты, качества и количества; температуры буксового узла и многих других факторов.
Сопротивление от качения колёс по рельсам (рисунок 2). От статической нагрузки подвижного состава каждое колесо прогибает рельс, а при движении возникает «волна» перед колёсами, которую колесо «пытается» преодолеть. Отсюда – чем твёрже грунт, чем мощнее рельсы, тем меньше их изгиб и «волна» перед колёсами, т.е. меньше сопротивление от качения колёс по рельсам, и наоборот. В зимнее время при низких температурах грунт, рельсы и колёса подвижного состава становятся твёрже, поэтому эта составляющая основного сопротивления движению уменьшается относительно летнего периода эксплуатации.
Рисунок 2. Сопротивление движению от качения колеса по рельсам:
Сопротивление от трения скольжения колёс по рельсам (рисунок 3). Многочисленными исследованиями установлено, что колёса подвижного состава взаимодействуют с рельсами не в точках касания, а площадках в виде эллипса. Причём, чем меньше диаметр и твёрже колесо, тем меньше пятно контакта. Пятно контакта зависит и от твёрдости рельс и грунта, чем меньше прогибается рельс от нагрузки колеса, тем меньше пятно контакта, и наоборот. В центре пятна контакта возникают наибольшие напряжения, величина которых может превысить предел текучести металла рельса и колеса. Это вызывает износ и рельс и колёс подвижного состава.
Рисунок 3. Сопротивление движению от трения скольжения колес по рельсам.
В зависимости от степени износа рельса и колеса контактная площадка может принимать различную форму – не только эллипса, но и круга, полоски. Пятно контакта существенно влияет на сопротивление движению, так как при поступательном движении подвижного состава перекатывания колёс будут сопровождаться трением скольжения частей взаимодействия колёс в пределах пятна контакта с рельсами вследствие разных диаметров профиля поверхности качения колёс. Кроме того, колёса жёстко связаны осью. Поэтому поступательное движение будет сопровождаться проскальзыванием одного колеса относительно другого, т.к. пути качения относительно поступательного пути из-за разницы диаметров кругов катания будут разные. Этот эффект усугубляется вилянием колёсной пары во время движения от одного рельса к другому даже на прямых участках пути (рисунок 4).
Рисунок 4. Виляние колесных пар при движении подвижного состава в прямом горизонтальном участке пути.
В режимах тяги или торможения проявляются упругие свойства обода и рельса. В зависимости от величины касательной силы обода происходит упругое перемещение точки взаимодействия вперёд обода колеса относительно рельса в режиме тяги, или назад в режиме торможения (рисунок 5). С увеличением касательной силы больше реактивной силы сцепления в режиме тяги колесо начинает проскальзывать, увеличивая обороты не соответствующие частоте вращения при поступательном движении локомотива. Этот эффект называют «боксование» (от слова бокс).
Рисунок 5. Упругое перемещение центра взаимодействия колеса и рельса: а) режим тяги; б) режим торможения.
В режиме торможения (рисунок 5б), при достижении предела по сцеплению происходит уменьшение частоты вращения колёс относительно частоты вращения колёс при поступательном движении подвижного состава на выбеге, вплоть до полного прекращения вращения колёс по рельсам. Прекращение вращения колёс при поступательном движении подвижного состава, называемый юзом, сопровождается скольжением пятна контакта колёс относительно поверхности рельс, образуя площадки на поверхности кругов катания колес, называемые ползунами.
Рисунок 6. Характеристика взаимодействия пятна контакта колеса и рельса локомотива в режимах тяги и торможения.
Диаметр гребней колёсной пары больше диаметра круга катания. Поэтому касание гребня внутренней плоскости головки рельса всегда сопровождается трением скольжения направленным против поступательного движения, создавая силу сопротивления движению. Перевод рельсовой колеи с 1524 мм на 1520 мм значительно уменьшило свободу качения колёс цилиндрической частью обода и чаще гребень трётся о внутреннюю плоскость головки рельса. Это приводит к интенсивному износу гребней колёсных пар и внутренней части головок рельс (рисунок 7).
Рисунок 7. Характерные износы частей бандажа и рельса в процессе эксплуатации.
Сопротивление движению от неровности рельсового пути (рисунок 8), возникающего от ударов при прохождении стыков и неровностей рельсового пути, как на перегонах, так и горловинах станций, особенно при движении по стрелочным переводам. Момент скатывания колеса с одного рельса на другой сопровождается ударом. Составляющая силы удара направлена против движения подвижного состава. Чем больше рельсовых стыков под движущимся поездом, тем интенсивнее сопротивление движению. Кроме того, рельсы неравномерно изнашиваются в вертикальной плоскости, особенно в местах частого боксования колёсных пар локомотивов и торможении поезда, например – станционных путях, пунктах остановки, на подъёмах и крутых затяжных спусках. Эта неравномерность износа поверхности головки рельс, подобно стыку создаёт дополнительное сопротивление движению поезда. Бесстыковой («бархатный») рельсовый путь значительно снижает сопротивление движению поезда.
Рисунок 8. Сопротивление движению от неровности рельсового пути.
Сопротивление движению от воздушной среды.Поезд при движении вынужден преодолевать аэродинамическое сопротивление воздушной среды. Перед лобовой частью поезда образуется зона сжатого воздуха, который оказывает давление на лобовую часть локомотива. Боковые поверхности и крыши подвижного состава соприкасаются со струями скользящего по ним воздуха, увлекают часть его за собой, создавая поток и трение части воздуха о стенки подвижного состава. В междувагонном пространстве образуются завихрения. Под подвижным составом часть воздуха увлекается поездом, который, соприкасаясь с верхним строением пути, создаёт сопротивление движению. За последним вагоном поезда образуется разрежение. Эти явления вызывают внешние силы, направленные против движения поезда, образуя силу сопротивления воздушной среды. Сила сопротивления воздушной среды изменяется пропорционально квадрату скорости и имеет большое значение для организации скоростного движения поездов. Обтекаемая форма лобовой и хвостовой частей состава значительно снижает сопротивление движению подвижного состава (Рисунок 9).
Рисунок 9. Сопротивление движению от воздушной среды.
Сопротивление движению от поглощающих аппаратов автосцепок Движение поезда сопровождается продольными динамическими силами, вызывающие рывки по длине поезда за счёт упругих элементов сцепления, большой весовой разницы вагонов, смены режима ведения поезда, изменения профиля пути и ряда других причин. Эти рывки и продольные колебания по длине поезда частично поглощаются сцепными устройствами, рассеивая энергию в окружающую среду и снижая кинетическую энергию поезда. На восполнение этих потерь затрачивается работа силы тяги локомотива.