2.3. Практическая оценка коэффициента сцепления.

Рассмотренные выше соотношения справедливы для идеализированных случаев профиля поверхности бандажа и рельса. В реальных условиях поверхность катания колеса имеет конусность переменной величины; поверхность катания рельса имеет наклон внутрь колеи. Кроме этого на коэффициент сцепления влияет множество случайных и неслучайных факторов. Среди них следует отметить следующие:

• материал бандажа и рельса, их однородность;

• состояние контактирующих поверхностей;

• износ контактирующих поверхностей;

• скорость движения;

• соединение ТД;

• вид тягового привода;

• режим работы ТД.

Все это делает практически невозможным вывод аналитического выражения для расчета коэффициента сцепления.

Для практических целей используются выражения зависимости коэффициента сцепления от скорости движения, полученные эмпирическим, т.е. опытным путем. Для определения зависимости коэффициента сцепления от скорости движения на полигоне проводят ряд тяговых испытаний ЭПС, в ходе которых добиваются срыва сцепления при различных погодных условиях, различных скоростях движения и различных износах бандажа. При этом фиксируется сила тяги, при которой произошел срыв сцепления. На поле зависимости коэффициента сцепления от скорости движения получаем множество точек.

П о мере накопления данных производят их обработку методами математической статистики, в результате получают кривые вероятности распределения коэффициента сцепления при различных скоростях движения и различных условиях сцепления. Обработав все результаты, получают кривые зависимости коэффициента сцепления от скорости движения. После математической обработки полученных кривых выводится выражения, наиболее близко их описывающие.

В Правилах тяговых расчетов рекомендуется при решении практических задач использовать для вычисления коэффициента сцепления выражения вида

,

где коэффициенты a, b, c, d, e определяются типом ЭПС.

Данное выражение, как и формулы удельного сопротивления движению, дает математическое ожидание величины коэффициента сцепления. В реальных условиях коэффициент сцепления может изменяться в пределах от _к min до _к max.

2.4. Факторы, влияющие на реализацию силы тяги.

Реализация силы тяги определяется коэффициентом сцепления, реализуемым электровозом в целом. Ранее были рассмотрены факторы, влияющие на величину коэффициента сцепления одного колеса. С учетом того, что не только все колесные пары электровоза, но и даже отдельные колеса одной и той же колесной пары находятся в неодинаковых условиях, силу сцепления, реализуемую электровозом в целом нельзя найти простым перемножением величины силы сцепления одного колеса на количество колес электровоза. Она будет всегда меньше указанного произведения:

,

т.е. силу сцепления электровоза в целом следует определять как алгебраическую сумму сил, реализуемых отдельными колесами.

Поскольку реализация сил сцепления определяется прежде всего реализацией коэффициента сцепления, то можно, по аналогии с факторами, влияющими на коэффициент сцепления, выделить три основных группы параметров, влияющих на реализацию силы сцепления:

• изменение силы давления колеса на рельс;

• геометрические характеристики взаимодействующих поверхностей колеса и рельса;

• состояние взаимодействующих поверхностей колеса и рельса.

В свою очередь, каждая группа факторов подразделяется на подгруппы и отдельные факторы.

Изменение силы давления колеса на рельс может быть вызвана:

• статической неравномерностью распределения массы электровоза по отдельным колесным парам и отдельным колесам – вызвана невозможностью равномерно распределить оборудование внутри кузова электровоза, а так же отклонениями при изготовлении отдельных деталей;

• вертикальными колебаниями электровоза, вызванными прохождением неровностей пути. Вертикальные колебания зависят от геометрической и динамической характеристики пути, скорости движения и состояния рессорного подвешивания электровоза, включая гасители колебаний;

• продольными колебаниями поезда, которые зависят от технической возможности тягового привода по плавности регулирования силы тяги, квалификации машиниста, плана и профиля пути и динамических характеристик состава. Продольные динамические усилия вызывают скачкообразное изменение силы сопротивления движению, а, следовательно, и момента, вызывающего перераспределение сцепной массы между колесными парами электровоза.

При движении электровоза в режиме тяги возникнет сила, которая вызывает разгрузку первых по ходу колесных пар.

Р ассмотрим это явление на примере двухосного локомотива, который ведет поезд в режиме тяги с установившейся скоростью. Так как сила тяги реализуется на уровне оси колесных пар локомотива, а сила сопротивления движению от состава – на уровне автосцепки, то возникает вращающий момент

М = W"h = 2F_кh,

который первую по ходу колесную пару разгружает, а вторую – догружает на величину

.

Это означает, что сцепная масса электровоза недоиспользуется на

.

Для оценки разгружающего действия силы сопротивления движению состава существует понятие коэффициента использования сцепной массы

.

Здесь q_o – статическая сцепная масса, приходящаяся на одну колесную пару. Для тележечных электровозов _и = 0,86 ... 0,94.

Кроме рассмотренного случая аналогично можно учесть перераспределение нагрузок на колесные пары от расположения ТД и действия сил инерции при неустановившемся движении.

Состояние взаимодействующих поверхностей колеса и рельса определяется:

• характером основного груза, перевозимого по участку;

• климатическими особенностями участка;

• подачей песка под колеса электровоза.

Различие характеристик ТЭД и диаметров колесных пар.

В следствие неточностей при сборке, а так же невозможности изготовить два абсолютно одинаковых изделия, ТЭД установленные на ЭПС неизбежно будут иметь некоторый разброс тяговых характеристик. Поэтому два соседних ТЭД будут развивать разную силу тяги при одинаковой линейной скорости движения.

Как известно, сила тяги на ободе колеса обратно пропорциональна диаметру колеса, а следовательно большую силу тяги будет развивать колесная пара с меньшим диаметром.

.

Жесткость тяговой характеристики.

Д опустим, что имеются два двигателя с мягкой характеристикой 2 и жесткой – 1. При работе их в точке К пересечения с ограничением по сцеплению 3 произошло снижение силы сцепления на F. Так как точка К лежит выше нового значения силы сцепления (точка М) произойдет срыв сцепления и начнет развиваться боксование. При увеличении частоты вращения ТД с жесткой характеристикой происходит ее пересечение с новым ограничением по сцеплению (точка N). Сцепление восстанавливается. При развитии боксования ТД с мягкой характеристикой разрыв между силой тяги и силой сцепления растет с увеличением скорости – боксование стремиться перейти в разносное. Т.е. ТД с мягкими характеристиками имеют большую склонность к боксованию.

Тип тягового привода.

Различают два основных типа тягового привода – групповой и индивидуальный. Поскольку боксование – это процесс случайный, воспользуемся вероятностными методами. Обозначим вероятность реализации силы тяги без боксования i-й колесной пары как Р_i, а вероятность боксования – Q_i. Поскольку в основе определения лежат события противоположные, то Р_i + Q_i = 1. Так же примем допущение, что вероятности боксования всех колесных пар одинаковы и равны Р. Тогда в целом для электровоза с индивидуальным приводом

.

Вероятность срыва сцепления

.

Так как вероятность боксования отдельной колесной пары достаточно мала, то приближенно можно записать

.

Предположим, что для восьмиосного электровоза Q = 0,01. Тогда

(1 – 0,01)⁸  0,92;

1 – 0,92 = 0,08;

8  0,01 = 0,08.

Таким образом, при индивидуальном приводе вероятность боксования электровоза пропорциональна количеству колесных пар.

Боксование электровоза с групповым приводом возможно только при срыве сцепления всех колесных пар:

.

Так как величина вероятности боксования меньше единицы, то электровоз с групповым приводом имеет гораздо меньшую вероятность боксования.