1. - Колесная пара; 2- тяговый электродвигатель; 3- шестерня;4- большое зубчатое колесо

Сила тяжести G_Т, приходящаяся на одну ось локомотива, прило­жена к колесу и через точку контакта А действует на рельс. 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 остается 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. При этом значения сил определяют, рассматривая равенство моментов

, (21)

из которого следует, что

, Н. (22)

Данное уравнение было использовано при построении электротяговых характеристик локомотивов для расчета силы тяги ТЭД на ободе колеса F_КД .

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

, Н. (23)

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 рисунке 7). 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.

Рисунок 7 - 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

, (24)

где F_Kmax - максимально допустимая касательная сила тяги локомотива; ψ₀ - потенциальный (максимальный) коэффициент сцепления; P_СЦ - сцепной вес локомотива (вес, приходящийся на движущие ко­лесные пары и участвующий в создании силы тяги);

, кН (25)

где 2П - осевая нагрузка локомотива, 2П =23т.

,кН.

Неравенство (24) выражает основной закон локомотивной тяги: для обеспечения устойчивости управляемого движения локомотива окружные усилия на ободах 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%. Поэтому для обеспечения устойчивости локомотивов против боксования устанавливают так называемый расчетный коэффициент сце­пления ψ_K, величина которого меньше потенциального ψ₀. При этом сила тяги по сцеплению составляет

, кН. (26)

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

Характеристики сцепления ψ_K=f(V) для магистральных электровозов определяются следующим образом

, (27)

Для построения тяговых характеристик локомотивов предвари­тельно рассчитаваем силу тяги по сцеплению F_КСЦ при различ­ной скорости движения локомотива по формулам (25) - (27). Диапазон изменения скорости принимаем равными от 0-50 км/ч. Получен­ные значения заносим в таблицу 5.

Таблица 5

Сила тяги локомотива по сцеплению

V, км/ч	0	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50
ψK	0,293	0,272	0,251	0,236	0,223	0,213	0,205	0,198	0,192	0,187	0,183
FКСЦ, кН	385	340	319	319	302	289	277	268	260	253	247

7. Построение токовой I=f(V) и тяговой F_K=f(V) характеристик локомо­тива с ограничениями силы тока, касательной силы тяги и конструк­ционной скорости

Тяговые и токовые характеристики необходимы для расчетов дви­жения поездов, перегрева обмоток тяговых электрических машин, рас­хода энергии локомотивами на перемещение поездов. Наиболее точно эти зависимости определяют экспериментальным путем, в процессе специальных испытаний локомотивов. Полученные графики F_K=f(V) и I=f(V) официально регламентируют «Правилами тяговых расчетов для поездной работы».

На стадии проектирования локомотивов указанные зависимости F_K=f(V) и I=f(V) можно построить по электротяговым характеристикам. Для этого необходимо пересчитать данные таблицы 6, а именно:

а) определить значения тока локомотива по величинам тока ТЭД:

- ток электровоза по формуле

,А

где Р_ГР - число параллельных групп ТЭД, которое на ходовых по­зициях "П" составляет Р_ГР =3 при n_ос=6

б) определить значения касательной силы тяги локомотива F_К по величинам силы тяги ТЭД F_КД используя уравнение (23).Полученные результаты заносим в таблицу 6.

Таблица 6.

Рабочие характеристики локомотива

Iг	3434,4	4120,8	4807,8	5494,5	6181,2	6868,2
Fк(ПП)	156,0	203,6	249,1	293,4	335,0	383,2
V(ПП)	55,1	42,2	34,5	29,3	25,6	22,5
Fк(оп1)	117,7	151,1	195,4	236,5	280,8	333,9
V(оп1)	73,1	56,9	44,0	36,4	30,6	25,8
Fк(оп2)	71,2	105,1	134,1	170,8	206,9	246,3
V(оп2)	120,9	81,9	64,1	50,4	41,5	34,9

Построение рабочих характеристик электровоза.

По данным таблицы 6 построить графики I_Э=f(V) и F_K=f(V) при разных режимах ослабления возбуждения.

1. Нанести на график I_Э=f(V), полученный для режима ПП, точку, соответствующую номинальной (часовой) силе тока электровоза I_Ч⁼Р_ГРI_ДН. определить скорость часового режима V_Ч, а далее - часовую силу тяги F_KЧ по кривой F_K=f(V) для режима ПП.

2. Рассчитать ток электровоза в продолжительном режиме работы

, А,

где K_ВЕНТ - коэффициент вентиляции ТЭД, равный 0,85-0,95

По графику I_Э=f(V) для режима ПП определить скорость продол­жительного режима V_ДЛ, а по кривой F_K=f(V) - длительную силу тяги F_КДЛ.

3. Рассчитать наибольший допустимый ток электровоза

,А,

и определить соответствующую ему силу тяги F_КДОП; нанести ограни­чения тока I_Эmax и силы тяги F_КДОП на рабочие характеристики электровоза.

4. В поле тяговых характеристик построить ограничения конс­трукционной скорости локомотива V_K и силы тяги по сцеплению F_КСЦ

5. Полученные значения основных технических параметров локомо­тива заносим в таблицу 8.