Контрольні запитання:

1. Скільки відомо етапів процесу вдосконалення гальмової техніки?

2. Дайте характеристику етапам розвитку.

3. Який вид гальм був застосований вперше?

4. Назвіть першого розробника вітчизняного пристрою управління гальмами та повітророзподільника.

5. Яке підприємство вперше розпочало серійний випуск вітчизняних ПР?

6. Назвіть умовний номер ПР, який зараз застосовується на вантажних вагонах.

7. Назвіть та дайте коротку характеристику новітнім розробкам гальмового обладнання.

Тема 4: Зчеплення колеса з рейкою.

Питання теми:

1. Фізична сутність процесу.

2. Фактори, що впливають на силу зчеплення.

1. Фізична сутність процесу.

Сила зчеплення коліс рухомого складу з рейками є основою функціювання фрикційних гальм. Величина коефіцієнту зчеплення, що використовується в гальмівних розрахунках, є важливою складовою при вирішенні задач будь-якого характеру. Тому визначення її можливе виключно на базі достовірних результатів спеціальних досліджень. Дослідження по визначенню граничних значень коефіцієнту зчеплення повинні проходити в реальних експлуатаційних умовах при різних температурних режимах та вологості.

Коефіцієнт зчеплення колеса з рейкою є характеристикою надійності контакту. Величина коефіцієнту залежить від ряду факторів, зумовлених станом поверхонь рейок і динамікою рухомого складу [1], [2].

Відповідно до методики визначення коефіцієнт зчеплення являє собою відношення деякої граничної сили тяги або гальмування ( ) до ваги вагону P:

, . (4.1)

Коефіцієнт зчеплення подібний до коефіцієнту тертя. Коефіцієнтом тертя називається відношення сили тертя F до нормальної сили N, яка притискає одне тіло до іншого.

. (4.2)

Сила F визначається як сила опору відносному переміщенню одного тіла по поверхні іншого під дією зовнішньої сили та направлена по дотичній до спільної межі між двома тілами:

На відміну від коефіцієнту тертя, визначення коефіцієнту зчеплення не стандартизоване. Разом з цим, у теперішній час не існує єдиного загальноприйнятого визначення коефіцієнту зчеплення. Поняття коефіцієнту тертя і зчеплення часто плутають. Іноді ψ визначають як граничне значення f у процесі зростання сили тяги або гальмування і, відповідно, проковзування, після досягнення якого колеса починають буксувати або йти юзом, тобто вважають, що ψ=f^гран≈f_зч. Таке визначення не відповідає фізичному змісту коефіцієнта зчеплення, оскільки гранична сила тертя або гальмування і зчіпна вага Р у формулі (4.1) не відповідають граничній силі тертя і нормальній силі N, яка притискає одне тіло до іншого.

Велика кількість проведених досліджень коефіцієнту зчеплення свідчить про різноманітні причини, що впливають на силу зчеплення коліс при гальмуванні. Серед таких причин: ступінь чистоти поверхонь рейок, стан колії у цілому, питоме навантаження у місці контакту колеса з рейкою, швидкість руху поїзда, величина сповільнення при гальмуванні та інші.

2. Фактори, що впливають на силу зчеплення.

Розглянемо ряд факторів, які впливають на силу зчеплення коліс з рейками у процесі гальмування.

Під час аналізу кочення колісної пари у гальмовому і негальмовому режимах було встановлено, що коефіцієнт зчеплення на «ідеальній» колії не залежить в умовах постійної вологості атмосфери від швидкості обертання коліс, тобто від швидкості руху вагона. За відсутності забруднюючих речовин на поверхнях колеса і рейки коефіцієнт зчеплення може досягати значення 0,9. В експлуатації ці поверхні завжди покриті брудом, що значно зменшує коефіцієнт тертя. Коефіцієнт зчеплення також залежить від співвідношення швидкості ковзання U і швидкості обертання колеса відносно рейки v.

На основі аналізу руху колісної пари у гальмовому і негальмовому режимах встановлено, що колісні пари здійснюють складний рух по рейкам з ковзанням. Рівнодіюча сил тертя ковзання складається з поперечної і повздовжньої сил тертя ковзання. Тому при коченні колісної пари у гальмовому і негальмовому режимах спостерігається безперервне проковзування. З цього випливає, що процес ковзання відбувається разом із сумарною дією елементарних ковзань колісних пар.

При коченні колісних пар окремі точки поверхні кочення мають різні відносні швидкості. Величина їх може бути більшою або меншою за сумарну швидкість руху колеса. Неперервна зміна швидкостей окремих точок поверхонь кочення колісних пар пояснюється коливаннями, викликаними тертям ковзання (автоколиваннями) пружної системи колесо-рейка. Зростання швидкості руху вагона спричиняє зміну автоколиваннями характеру контакту колеса з рейкою одночасно зі зміною тривалості контакту.

Жорсткість і нерівномірність рейкової колії впливає на величину розвантаження колісних пар. Стан верхньої будови колії, особливості її конструкції і конструкції ресорного підвішування вагону впливають на величину зміни навантаження на вісь у даний момент і, як наслідок, на загальну величину зчеплення окремих колісних пар вагона з рейками при різних швидкостях руху.

Вважають, що тільки на справній колії з довгими рейками величина коефіцієнту зчеплення у процесі гальмування при швидкості руху понад 100 км/год залишається постійною. На колії, що не відповідає цим вимогам, при високих швидкостях руху може спостерігатися падіння сили зчеплення внаслідок поштовхів, отриманих вагоном під час проходження стиків і слабких місць рейкової колії. Застосування довгих, суцільнозварних рейок значно скорочує кількість рейкових стиків, що покращує конструкцію верхньої будови колії і сприяє зростанню коефіцієнта зчеплення при гальмуванні на високих швидкостях.

Вплив перерозподілу ваги вагона при гальмуванні на величину коефіцієнту зчеплення досить значний. При вантажному режимі гальмування завантаженого вагона розвантаження останньої осі складає 6%, при порожньому режимі гальмування порожнього вагона – 13%. Але ці значення не постійні, вони можуть змінюватися у залежності від маси вантажу, коефіцієнту тертя колодок та інших параметрів.

Незбалансованість і ексцентриситет колісної пари є причиною зміни навантаження колісної пари на рейку. Розвантаження колісної пари у випадку незбалансованості колеса для ваги дисбалансу 0,721 кг, розташованого на відстані 343 мм від центра колеса, при швидкості 135 км/год досягає 3%. Ефект ексцентричності колеса такий, як від дії серії незначних заглиблень на рейковій колії, глибина яких дорівнює подвійному ексцентриситету.

Досить часто різні фактори діють одночасно. Під дією основних факторів при швидкості 140 км/год величина розвантаження визначиться наступним чином. Перерозподіл вантажу при гальмуванні розвантажує останню колісну пару на 7%, зменшення навантаження на колісну пару внаслідок неврівноваженості колеса – 3%, зменшення навантаження внаслідок ексцентриситету – 2%, розвантаження внаслідок нерівностей колії складає 70% [2].

Висновок. Фактори, які впливають на силу зчеплення коліс з рейками, необхідно враховувати при проектуванні та експлуатації рухомого складу та верхньої будови колії. Можливий діапазон використання сили зчеплення коліс з рейками при гальмуванні доцільно визначати за розрахунковими значеннями коефіцієнта зчеплення коліс з рейками. При цьому важливо акцентувати увагу на типі рухомого складу при характерному для експлуатації стані колії.

До способів підвищення зчеплення коліс з рейками можна віднести:

• збільшення коефіцієнту тертя;

• збільшення радіусу кривих;

• зменшення різниці діаметрів коліс;

• зменшення конусності коліс;

• рівномірний розподіл ваги, гальмових та тягових зусиль;

• зменшення кута набігання;

• покрашення вертикальної динаміки.

Література:

1 Марков Д.П. Коэффициенты трения и сцепления при взаимодействии колёс с рельсами // Вестник ВНИИЖТ. 2005. №4. С. 3-9.

2 Казаринов В.М., Вуколов Л.А. Коэффициенты сцепления колёс с рельсами при торможении / Труды ВНИИЖТ. Вып. 212: Исследование автотормозной техники на железных дорогах СССР. М.: Трансжелдориздат, 1961. С. 5-38.

3 Крылов В.В., Казаринов А.В. и др. Методика измерения уровня коэффициента сцепления колёс вагонов с рельсами на эксплуатируемых участках дорог // Вестник ВНИИЖТ. 2003. №4. С. 7-15.

4 Спицын М.А. Физическая природа сцепления колес с рельсами и способы повышения коэффициента сцепления / Труды ВНИИЖТ. Вып. 212: Исследование автотормозной техники на железных дорогах СССР. М.: Трансжелдориздат, 1961. С. 39-44.